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
ReIm55−5−5θz

z = 7 + j2 sayısının argümanını, θ, derece cinsinden, −180° ile 180° arasındaki esas değer olarak bulun.

z = 7 + j2
θ = °
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

z³ − 7z² + 24z − 18 = 0 denkleminin köklerinden biri z₁ = 3 + j3’dir. Katsayılar gerçeldir. Gerçel kökü, r, bulun.

z₁ = 3 + j3
r =
3.AC empedans ve fazörlerOrta
24 V500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF

Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF
φ = °
4.AC empedans ve fazörlerZor
10 Vf0​R = 15 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF

Seri bir RLC devresi, frekansı devrenin rezonans frekansına ayarlanmış 10 V (rms)’lik bir kaynakla sürülüyor. Bobin üzerindeki rms gerilim VL değerini bulun.

V = 10 V (rms)R = 15 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF
VL = V
5.AC güç ve güç faktörüOrta
230 VR + jXP = 3416 W16,5 A

Endüktif bir yük, 230 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynaktan 16,5 A ve 3416 W çekiyor. Onu bir X reaktansına seri bağlı bir R direnci olarak modelleyin. X değerini bulun.

V = 230 VI = 16,5 AP = 3416 W
X = Ω
6.AC güç ve güç faktörüZor
P1​ = 82 kWQ1​S1​φ

150 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,65 geri güç faktöründe 82 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?

Smax = 150 kVAP1 = 82 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
V10 Ω22 µH4,7 nF

Bir seri RLC devresinde R = 10 Ω, L = 22 µH ve C = 4,7 nF’dir. Bant genişliğini BW kHz cinsinden bulun.

R = 10 ΩL = 22 µHC = 4,7 nF
BW = kHz
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
V2 Ω4,7 mH2,2 µF200 mA

Bir seri RLC devresi (R = 2 Ω, L = 4,7 mH, C = 2,2 µF) rezonansta 200 mA akım genliğiyle sürülüyor. Bir çevrimde R’de harcanan enerjiyi Ecycle µJ cinsinden bulun.

R = 2 ΩL = 4,7 mHC = 2,2 µFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 415 VZ = 7 + j24 Ωfaz başına

Faz başına empedansı 7 + j24 Ω olan dengeli Δ bağlı bir yük, fazlar arası gerilimi 415 V olan dengeli üç fazlı bir kaynağa bağlanmıştır. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.

VL = 415 VZ = 7 + j24 Ω faz başına
P = kW
10.Üç fazlı güçZor
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Dengeli üç fazlı bir yük, 400 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,78 geri güç faktöründe 120 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,9 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.

P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​15 Vt = 0R = 100 ΩL100 mHi(t)

Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Anahtar kapandıktan ne kadar sonra akım son değerinin %50’ine ulaşır? t değerini bulun.

Vs = 15 VR = 100 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​12 VR1​ = 33 ΩR2​ = 33 Ωt = 0’da kapanırL33 mHi(t)

R2 üzerindeki anahtar uzun süredir açıktır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar kapanır ve R2 direncini kısa devre eder. t = 0’dan ne kadar sonra bobin akımı 0,291 A’e ulaşır? t değerini bulun.

Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAab

a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAIs​4 ABRL​12 ΩIL​

a–b arasına RL = 12 Ω yük bağlanmıştır. Devrenin geri kalanını Thévenin eşdeğeriyle değiştirin ve yük akımı IL değerini bulun.

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
IL = A
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​C = 22 nFR = 1 kΩvout​

Gösterilen RC yüksek geçiren filtre için R = 1 kΩ, C = 22 nF geçerlidir. 29 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.

R = 1 kΩC = 22 nFf = 29 kHz
φ = °
16.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 112/(s(s + 4))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 112/(s(s + 4))
PM = °

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: θ = 15,95 °

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.

Bölge

a = 7, b = 2 → I

Referans açı

α = atan(2/7) = 15,95°

Argüman

θ = α = 15,95°

Cevap

θ = 15,95°

Kutupsal biçimde z = 7,28∠15,95°.

2.Karmaşık sayılar

Cevap: r = 1

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.

Eşlenik çifti

z₂ = 3 − j3
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·3·z + (3² + 3²) = z² − 6z + 18

İkinci dereceden çarpanı ayırın

z³ − 7z² + 24z − 18 = (z² − 6z + 18)(z − 1)

Gerçel kök

r = 1

Cevap

r = 1

Köklerin toplamıyla denetleyin: z₁ + z₂ + r = 6 + 1 = 7 = −(−7).

3.AC empedans ve fazörler

Cevap: φ = 83,51 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (439,4)²) = 442,2 Ω

Faz açısı

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(439,4/50) = 83,51°

Cevap

φ = 83,51°
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: VL = 307,5 V

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.

Rezonans

Rezonansta reaktanslar birbirini götürür, bu yüzden empedans yalnızca R’dir.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·0,47·10⁻⁶) = 4613 rad/s
I = V/R = 10/15 = 0,6667 A

Bobin üzerindeki gerilim

XL = ω₀L = 4613·0,1 = 461,3 Ω
VL = I·XL = 0,6667·461,3 = 307,5 V

Cevap

VL = 307,5 V

Bu, kaynak geriliminin Q = 30,75 katıdır.

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: X = 6,072 Ω

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.

Aktif güçten direnç

R = P/I² = 3416/16,5² = 12,55 Ω

Empedanstan reaktans

|Z| = V/I = 230/16,5 = 13,94 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(13,94² − 12,55²) = 6,072 Ω

Cevap

X = 6,072 Ω
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: ΔP = 33,37 kW

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.

Mevcut yükün reaktif gücü

Q1 = 82·tan(arccos 0,65) = 95,87 kvar

En büyük toplam aktif güç

Tam değerde S = Smax’tır ve Q dirençsel yükle değişmez.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 95,87²) = 115,4 kW

Ek aktif güç

ΔP = 115,4 − 82 = 33,37 kW

Cevap

ΔP = 33,37 kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: BW = 72,34 kHz

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.

rad/s cinsinden bant genişliği

R/L = 10/2,2 × 10⁻⁵ = 454545 rad/s

Hz cinsinden bant genişliği

BW = 454545/(2π) = 72343 Hz = 72,34 kHz

Cevap

BW = 72,34 kHz

f₀ = 494,9 kHz ile bu Q = 6,842 verir.

8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Ecycle = 25,56 µJ

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.

Depolanan enerji

W = ½·0,0047·0,2² = 9,4 × 10⁻⁵ J

Kalite faktörü

Q = (1/2)·√(0,0047/2,2 × 10⁻⁶) = 23,11

Çevrim başına kaybolan enerji

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·9,4 × 10⁻⁵/23,11 = 2,556 × 10⁻⁵ J = 25,56 µJ
kontrol: ½·0,2²·2/1565 = 2,556 × 10⁻⁵ J

Cevap

Ecycle = 25,56 µJ
9.Üç fazlı güç

Cevap: P = 5,787 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.

Faz gerilimi

Vph = VL = 415 V

Faz akımı

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Toplam aktif güç

Her empedansın yalnızca dirençli kısmı aktif güç harcar.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·7 = 5,787 kW

Cevap

P = 5,787 kW

Kontrol: cos φ = R/|Z| = 0,28 ve √3·VL·IL·cos φ aynı gücü verir.

10.Üç fazlı güç

Cevap: Cph = 632,6 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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 38,16 kvar

Faz başına kapasitans

Y grupta her kondansatör bir hat ile yıldız noktası arasına bağlıdır.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12718/(377·230,9²) = 632,6 µF

Cevap

Cph = 632,6 µF
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: t = 0,6931 ms

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 = 100 mH / 100 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 15/100 = 0,15 A

Zaman için çözün

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1·ln(0,5) = 0,6931 ms

Cevap

t = 0,6931 ms
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: t = 0,9175 ms

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.

Başlangıç değeri, son değer, zaman sabiti

t = 0’dan önce iki direnç de devrededir; sonra kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır.

i(0) = 12/(33 + 33) = 0,1818 A
i(∞) = 12/33 = 0,3636 A
τ = L/R = 33/33 = 1 ms
i(t) = 0,3636 + (0,1818 − 0,3636)·e−t/τ

Zaman için çözün

e−t/τ = (0,291 − 0,3636)/(0,1818 − 0,3636) = 0,3995
t = 1·ln(2,503) = 0,9175 ms

Cevap

t = 0,9175 ms
13.Thévenin ve Norton

Cevap: Rth = 8,222 Ω

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​ = 4 ΩR3​ = 6 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 6 = 8,222 Ω
14.Thévenin ve Norton

Cevap: IL = 2,338 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​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩKISA DEVRER2​20 ΩAAÇIKBabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 3 = 9,667 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAIs​4 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) = 12 + 4·6,667 = 38,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 38,67 + 4·3 = 50,67 V
Rth​ = 9,667 Ω+−Vth​50,67 VRL​12 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) = 50,67/(9,667 + 12) = 2,338 A
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: φ = 14,01 °

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.

Köşe frekansı

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·2,2 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 29000/7234 = 4,009

Faz

φ = 90° − atan(4,009) = 14,01°

Cevap

φ = 14,01°
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 21,39 °

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 + 16ω² − 12544 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·12544))/2 = 104,3
ωc = 10,21 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(10,21/4) = −158,6°
PM = 180° + ∠L = 21,39°

Cevap

PM = 21,39°

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