Devre Analizi 2: AC devreleri: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 16 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorularDerse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Karmaşık sayılar

Dikdörtgen biçim
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modül ve argüman
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Kutupsal ve üstel biçim
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Bölme
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Çarpım ve bölüm
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n. kökler
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
p² < 4q olan ikinci derece denklem
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Yöntem

  1. İşleme uygun biçimi seçin: toplama ve çıkarma için dikdörtgen a + jb, çarpma, bölme, kuvvet ve kökler için kutupsal r∠θ.
  2. j² = −1 ile açarak çarpın; bölmek için pay ve paydayı paydanın eşleniğiyle çarpın.
  3. r = √(a² + b²) ile ve θ’yı noktanın bir çiziminden (bölgeyi denetleyin) bularak çevirin; geri dönmek için a = r cos θ, b = r sin θ kullanın.
  4. Kuvvetler için De Moivre’i, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ, kullanın; zⁿ = R∠φ için n kökün hepsini R1/n∠((φ + 360°k)/n) olarak listeleyin.

AC empedans ve fazörler

Empedanslar
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Açısal frekans
ω = 2πf
Genlik ve açı
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Fazör biçiminde Ohm yasası
V = I·Z

Yöntem

  1. Frekansı çevirin: ω = 2πf.
  2. Her reaktansı bulun: XL = ωL ve XC = 1/(ωC).
  3. Empedansları dirençler gibi Z = R + jX ile toplayın.
  4. |Z| = √(R² + X²) büyüklüğünü ve φ = atan(X/R) açısını bulun, sonra fazörlerle Ohm yasasını kullanın.

AC güç ve güç faktörü

Aktif güç
P = V·I·cos φ
Reaktif güç
Q = V·I·sin φ
Görünür güç
S = V·I = √(P² + Q²)
Güç faktörü
pf = cos φ = P/S
Kompanzasyon kondansatörü
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Doğal frekans
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Enerji
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Tepe akım
Imax = V0√(C/L)
Kalite faktörü
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
Seri RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
Paralel RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Bant genişliği
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Yarım güç frekansları
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
r bobin dirençli tank devresi
RD = L/(C·r) = Q²·r
Genliğin sönümü
e−Rt/(2L)

Yöntem

  1. Önce rezonans frekansını bulun: ω₀ = 1/√(LC) ve f₀ = ω₀/(2π).
  2. Devrenin seri mi paralel mi olduğuna karar verin: seri Q = (1/R)√(L/C), paralel Q = R√(C/L).
  3. Bant genişliği için BW = f₀/Q formülünü ya da R/(2πL) (seri) ve 1/(2πRC) (paralel) kısayollarını kullanın.
  4. Enerji sorularında, ideal bir LC devresinde toplam ½CV₀² enerjisinin sabit kaldığını ve her çeyrek periyotta C ile L arasında gidip geldiğini kullanın.

Üç fazlı güç

Y bağlantı
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ bağlantı
VL = Vph, IL = √3·Iph
Toplam aktif güç
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Görünür ve reaktif güç
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kompanzasyon kondansatörleri
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Her kondansatör üzerindeki gerilim
Δ: VL Y: VL/√3
Motor giriş gücü
Pin = Pout/η

RC ve RL geçici rejim

Zaman sabiti
τ = RC | τ = L/R
Yanıt
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
DC’de kondansatör
açık devre; vC ani değişemez
DC’de bobin
kısa devre; iL ani değişemez
Kalıcı durum
t ≈ 5τ

Yöntem

  1. Anahtarlamadan hemen sonraki başlangıç değerini bulun: kondansatör gerilimi ve bobin akımı ani değişemez.
  2. Anahtarlamadan çok sonraki son değeri bulun: kondansatör açık devre, bobin kısa devre gibi davranır.
  3. Zaman sabitini bulun: kondansatörün veya bobinin gördüğü direnci kullanarak τ = RC veya τ = L/R.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ kullanın.

Thévenin ve Norton

Thévenin gerilimi
Vth = Vopen circuit
Thévenin direnci
Rth: tüm kaynaklar kapalı, a–b’den görülen
Norton akımı
IN = Vth/Rth
Yük akımı
IL = Vth/(Rth + RL)
Maksimum güç aktarımı
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Yöntem

  1. Yükü çıkarın ve iki ucu a ve b olarak işaretleyin.
  2. a ve b arasındaki açık devre gerilimini bulun: bu Vth’dir.
  3. Tüm bağımsız kaynakları devre dışı bırakın ve a–b uçlarından görülen direnci bulun: bu Rth’dir.
  4. Yükü eşdeğer devreye geri bağlayın: Rth ile seri Vth.
  5. Norton eşdeğeri için dönüştürün: IN = Vth/Rth, paralel RN = Rth ile.

2Alıştırma soruları

1.Karmaşık sayılarOrta
ReIm22−2−244−4−4θz

z = 4∠−20° sayısını a + jb dikdörtgen biçiminde yazın ve gerçel kısmı, a, verin.

r = 4θ = −20°
a =
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm22−2−244−4−4ABCD

A–D noktalarından tam biri z³ = 8∠120° denkleminin köküdür. Ona tıklayın.

w = 8∠120°n = 3
  1. 1A (2∠−20°)
  2. 2B (2∠120°)
  3. 3C (2∠−80°)
  4. 4D (3,6∠−80°)
3.AC empedans ve fazörlerOrta
10 V1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF

Seri bir RLC devresi 10 V (rms), 1000 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).

V = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
φ = °
4.AC empedans ve fazörlerZor
50 V100 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩC = 100 µFI

Bir R1 direnci, R2 ile bir C kondansatörünün paralel birleşimine seri bağlıdır ve 50 V (rms), 100 Hz’lik bir kaynağın uçlarına bağlanmıştır. Rms akım I değerini bulun.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩC = 100 µF
I = A
5.AC güç ve güç faktörüOrta
P = 10 kWQ = ?Sφ

Tek fazlı bir motor, 240 V bir kaynaktan 0,8 geri güç faktöründe 10 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.

P = 10 kWpf = 0,8V = 240 V
Q = kvar
6.AC güç ve güç faktörüZor
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Tek fazlı bir yük, 400 V, 50 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 45 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,9 değerine yükseltiyor. Gereken kapasitans C değerini bulun.

P = 45 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
C = 470 pF+−2 VL = 47 mHiL​

5 V’a yüklenmiş 470 pF değerindeki bir kondansatör, ideal bir 47 mH bobinle salınıyor. Kondansatör gerilimi 2 V olduğu anda bobinde depolanan enerjiyi WL nJ cinsinden bulun.

C = 470 pFV0 = 5 VvC = 2 V
WL = nJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
V50 ΩLC = ?

Toplam direnci 50 Ω, rezonans frekansı 50 kHz ve bant genişliği 2 kHz olan bir seri RLC filtresi tasarlayın. Kapasitansı C nF cinsinden bulun.

R = 50 Ωf0 = 50 kHzBW = 2 kHz
C = nF
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 208 VIL​ = 120 Acos φ = 0,75geri

Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 208 V olan bir kaynaktan 120 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,75 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.

VL = 208 VIL = 120 Acos φ = 0,75
P = kW
10.Üç fazlı güçZor
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Dengeli üç fazlı bir yük, 690 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 60 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.

P = 60 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​10 Vt = 0R = 50 ΩL220 mHi(t)

Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 10 ms anında i akımını bulun.

Vs = 10 VR = 50 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​10 Vt = 0’da açılırR1​ = 6,8 kΩR2​ = 10 kΩi2​C10 µF+−vC​

Anahtar uzun süredir kapalıdır, bu yüzden devre kararlı hâldedir. t = 0’da anahtar açılır. t = 75 ms anında R2 üzerinden geçen i2 akımını bulun.

Vs = 10 VR1 = 6,8 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 75 ms
i2 = mA
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩARL​2 ΩIL​B

a–b arasına RL = 2 Ω yük bağlanmıştır. Devrenin geri kalanını Thévenin eşdeğeriyle değiştirin ve yük akımı IL değerini bulun.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩRL = 2 Ω
IL = A
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAIs​5 ABRL​3 ΩIL​

a–b arasına RL = 3 Ω yük bağlanmıştır. Devrenin geri kalanını Thévenin eşdeğeriyle değiştirin ve yük akımı IL değerini bulun.

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩRL = 3 Ω
IL = A
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 15

G(s) = 200/((s + 5)(s + 10)) fonksiyonunun ω = 15 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 200/((s + 5)(s + 10))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 12/(s(s + 1))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 12/(s(s + 1))
ωc = rad/s

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: a = 3,759

Kutupsal biçim: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ; r = |z| ve θ = arg z. Dikdörtgen biçime dönüş: a = r cos θ, b = r sin θ. Argüman için bölge gerekir: θ = atan(b/a) yalnızca a > 0 için geçerlidir; a < 0 için 180° ekleyin ya da çıkarın. Kutupsal biçimde çarpma kolaydır: modülleri çarpın, argümanları toplayın; bölmek için modülleri bölün, argümanları çıkarın.

Bileşenler

a = 4·cos(−20°) = 3,759
b = 4·sin(−20°) = −1,368

Dikdörtgen biçim

z = 3,759 − j1,368
a = 3,759

Cevap

a = 3,759
2.Karmaşık sayılar

Cevap: C (2∠−80°)

De Moivre ve kökler: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. zⁿ = R∠φ denkleminin tam olarak n kökü vardır; hepsinin modülü R1/n’dir ve argümanları k = 0, 1, …, n − 1 için (φ + 360°·k)/n’dir: bir çember üzerinde eşit aralıklarla, 360°/n arayla dizilirler. p² < 4q olan z² + pz + q = 0 ikinci derece denkleminin karmaşık kökleri z = −p/2 ± j√(q − p²/4)’tür; gerçel katsayılı bir polinomun karmaşık kökleri her zaman a ± jb eşlenik çiftleri hâlindedir.

Köklerin modülü ve argümanları

|z| = 2
θ = 40°, 160°, −80°

Nokta

C = 2∠−80°

Cevap

C (2∠−80°)
3.AC empedans ve fazörler

Cevap: φ = 84,1 °

Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.

Reaktanslar

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·2,2·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Empedans

Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (241,8)²) = 243,1 Ω

Faz açısı

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(241,8/25) = 84,1°

Cevap

φ = 84,1°
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 2,469 A

Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.

Reaktans

XC = 1/(2π·100·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Paralel birleşim

Zp’yi reel ve sanal kısımlara ayırmak için pay ve paydayı karmaşık eşlenikle çarpın.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 7,755 − j9,745 Ω

Toplam empedans

Z = 10 + 7,755 − j9,745 = 17,75 − j9,745 Ω
|Z| = √(17,75² + 9,745²) = 20,25 Ω

Akım

I = V/|Z| = 50/20,25 = 2,469 A

Cevap

I = 2,469 A
5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: Q = 7,5 kvar

AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.

Açı

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Reaktif güç

Q = P·tan φ = 10·0,75 = 7,5 kvar

Cevap

Q = 7,5 kvar
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: C = 355,9 µF

AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.

Önce ve sonra reaktif güç

Aktif güç P değişmez; yalnızca şebekeden çekilen reaktif güç değişir.

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(41,41°) = 39,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25,84°) = 21,79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 17,89 kvar

Kapasitans

Kaynağa bağlı bir kondansatör Q = V²·ωC sağlar.

C = QC/(2πf·V²) = 17892/(2π·50·400²) = 355,9 µF

Cevap

C = 355,9 µF
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: WL = 4,935 nJ

LC rezonansı: bir bobine bağlanan yüklü bir kondansatör, kendisini ters yönde yükleyen bir akım geçirir: enerji, f0 = 1/(2π√(LC)) doğal frekansında C’nin elektrik alanı (½Cv²) ile L’nin manyetik alanı (½Li²) arasında gidip gelir. Direnç yoksa toplam ½CV0² enerjisi sabit kalır, dolayısıyla tepe akım Imax = V0√(C/L)’dir. Bir periyot T = 1/f0’dır; enerji bunun dörtte birinde C’den L’ye geçer.

Toplam enerji

½·4,7 × 10⁻¹⁰·5² = 5,875 × 10⁻⁹ J

Kondansatörde kalan enerji

½·4,7 × 10⁻¹⁰·2² = 9,4 × 10⁻¹⁰ J

Bobindeki enerji

WL = 4,935 × 10⁻⁹ J = 4,935 nJ

Cevap

WL = 4,935 nJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: C = 2,546 nF

Q çarpanı ve bant genişliği: bir rezonans devresinde Q = 2π·(depolanan enerji)/(çevrim başına kaybolan enerji). Seri RLC için Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); paralel RLC için Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Yarım güç frekansları f1 ve f2 arasındaki bant genişliği (burada güç yarıya, akım ya da gerilim tepe değerinin 1/√2’sine iner) BW = f2 − f1 = f0/Q’dur; bu seride R/(2πL), paralelde 1/(2πRC)’dir. Rezonans frekansı geometrik ortalama f0 = √(f1f2)’dir ve f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Kayıplar salınımın sönmesine de yol açar: seri RLC’de genlik e−Rt/(2L) gibi azalır.

Bant genişliğinden endüktans

L = R/(2π·BW) = 50/(2π·2000) = 0,003979 H

Rezonans frekansından kapasitans

C = 1/((2π·50000)²·0,003979) = 2,546 × 10⁻⁹ F = 2,546 nF

Cevap

C = 2,546 nF

Q = f₀/BW = 25.

9.Üç fazlı güç

Cevap: P = 32,42 kW

Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Görünür güç

S = √3·VL·IL = √3·208·120 = 43,23 kVA

Aktif güç

P = S·cos φ = 43,23·0,75 = 32,42 kW

Cevap

P = 32,42 kW
10.Üç fazlı güç

Cevap: Cph = 112,4 µF

Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Güç faktörü düzeltme: kondansatörler reaktif gücü yerinde sağlar, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Üç kondansatörün her biri QC/3 = V²·ω·C sağlar; burada V o kondansatör üzerindeki gerilimdir: Δ grupta VL, Y grupta VL/√3.

Önce ve sonra reaktif güç

Aktif güç değişmediği için her güç faktörü reaktif gücü belirler: Q = P·tan φ.

Q1 = 60·tan(acos 0,65) = 60·1,169 = 70,15 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 50,43 kvar

Faz başına kapasitans

Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16809/(314,2·690²) = 112,4 µF

Cevap

Cph = 112,4 µF
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: i = 0,1794 A

Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.

Zaman sabiti ve son akım

Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.

τ = L/R = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 10/50 = 0,2 A

Verilen andaki akım

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,2·(1 − e−10/4,4) = 0,1794 A

Cevap

i = 0,1794 A
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: i2 = 0,2812 mA

Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.

Başlangıçtaki kondansatör gerilimi

Kararlı hâlde kondansatör açık devredir, bu yüzden R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur. Anahtar açıldığında kondansatör gerilimi sıçrayamaz.

vC(0) = 10·10/(6,8 + 10) = 5,952 V

Anahtar açıldıktan sonraki zaman sabiti

τ = R2·C = 10·10 = 100 ms

Boşalma

vC(t) = 5,952·e−75/100 = 2,812 V
i2 = vC/R2 = 2,812/10 = 0,2812 mA

Cevap

i2 = 0,2812 mA
13.Thévenin ve Norton

Cevap: IL = 0,463 A

Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.

R1​ = 2 ΩR3​ = 12 ΩKISA DEVRER2​5 ΩAabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.

R1 ∥ R2 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 12 = 13,43 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Açık devre gerilimi Vth’yi bulun

a–b açıkken R₃’ten akım geçmez, bu yüzden üzerinde düşüm yoktur ve V_b = V_A olur. R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·5/(2+5) = 7,143 V
Rth​ = 13,43 Ω+−Vth​7,143 VRL​2 ΩIL​

Yükü Thévenin eşdeğerine bağlayın

Thévenin kaynağı ve seri R_th, a–b’de özgün devreyle tamamen aynı davranır; bu yüzden yük basit bir seri çevre görür.

IL = Vth/(Rth + RL) = 7,143/(13,43 + 2) = 0,463 A
14.Thévenin ve Norton

Cevap: IL = −3,863 A

Thévenin teoremi: her doğrusal iki uçlu ağ, Rth direncine seri tek bir Vth gerilim kaynağı gibi davranır. Norton teoremi aynı ağı Rth ile paralel IN = Vth/Rth akım kaynağı olarak verir.

R1​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩKISA DEVRER2​4 ΩAAÇIKBabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.

R1 ∥ R2 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 15 = 17,22 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

Açık devre gerilimi Vth’yi bulun

a–b açıkken Iₛ’nin tek yolu R₃ üzerinden A düğümüne gitmektir. V_A’yı V₁ ve Iₛ’nin süperpozisyonuyla bulun, sonra R₃ üzerindeki düşümü ekleyin.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 8 + (−5)·2,222 = −3,111 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −3,111 + (−5)·15 = −78,11 V
Rth​ = 17,22 Ω−+Vth​78,11 VRL​3 ΩIL​

Yükü Thévenin eşdeğerine bağlayın

Thévenin kaynağı ve seri R_th, a–b’de özgün devreyle tamamen aynı davranır; bu yüzden yük basit bir seri çevre görür.

IL = Vth/(Rth + RL) = −78,11/(17,22 + 3) = −3,863 A
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = −3,078 dB

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Büyüklükleri çarpın

|G(j15)| = 200/(√(15² + 5²)·√(15² + 10²)) = 200/(15,81·18,03) = 0,7016

Sonuç

20·log₁₀(0,7016) = −3,078 dB

Cevap

|G(jω)| = −3,078 dB
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 3,393 rad/s

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Kazanç kesişimi

ω⁴ + 1ω² − 144 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·144))/2 = 11,51
ωc = 3,393 rad/s

Cevap

ωc = 3,393 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2