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
ReIm11−1−122−2−2θz

z = −1 + j2 sayısının argümanını, θ, derece cinsinden, −180° ile 180° arasındaki esas değer olarak bulun.

z = −1 + j2
θ = °
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃

n = 4 ve w = 81∠45° için zⁿ = w denkleminin kökleri, k = 0, 1, 2, 3 olmak üzere zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)’dir. z₀ kökünün argümanını −180° ile 180° arasında derece cinsinden bulun.

w = 81∠45°n = 4k = 0
θ₀ = °
3.AC empedans ve fazörlerOrta
Vf0​ = 2000 HzRL = ?C = 22 µF

C = 22 µF olan seri bir RLC devresi 2000 Hz’de rezonansa girmelidir. Gereken endüktans L değerini bulun.

f0 = 2000 HzC = 22 µF
L = mH
4.AC empedans ve fazörlerZor
10 Vf0​R = 50 ΩL = 100 mHC = 1 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 = 50 ΩL = 100 mHC = 1 µF
VL = V
5.AC güç ve güç faktörüOrta
P = 16 kWQ = ?Sφ

Tek fazlı bir motor, 230 V bir kaynaktan 0,9 geri güç faktöründe 16 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.

P = 16 kWpf = 0,9V = 230 V
Q = kvar
6.AC güç ve güç faktörüZor
230 V60 Hzyük28 kW, 0,65C470 µFI

Tek fazlı bir yük 230 V, 60 Hz’lik bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 28 kW çekiyor. Yüke paralel olarak 470 µF’lık bir kondansatör bağlanıyor. Kaynağın gördüğü yeni güç faktörü cos φ değerini bulun.

P = 28 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 60 HzC = 470 µF
cos φ =
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
V22 kΩ1 mH100 nF

Bir paralel RLC devresinde R = 22 kΩ, L = 1 mH ve C = 100 nF’dir. Kalite çarpanını Q bulun.

R = 22 kΩL = 1 mHC = 100 nF
Q =
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
V22 Ω10 mH4,7 nF20 mA

Bir seri RLC devresi (R = 22 Ω, L = 10 mH, C = 4,7 nF) rezonansta 20 mA akım genliğiyle sürülüyor. Bir çevrimde R’de harcanan enerjiyi Ecycle nJ cinsinden bulun.

R = 22 ΩL = 10 mHC = 4,7 nFIm = 20 mA
Ecycle = nJ
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 415 VZ = 20 + j15 Ωfaz başına

Faz başına empedansı 20 + j15 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 = 20 + j15 Ω faz başına
P = kW
10.Üç fazlı güçZor
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Dengeli üç fazlı bir yük, 690 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 250 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,92 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.

P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 ΩL100 mHi(t)

Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 5 ms anında i akımını bulun.

Vs = 20 VR = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​6 Vt = 0R = 2,2 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 2 V vardır. t = 20 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.

Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 33 µFvC(0) = 2 Vt = 20 ms
vC = V
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩARL​15 ΩIL​B

a–b arasına RL = 15 Ω yük bağlanmıştır. Devrenin geri kalanını Thévenin eşdeğeriyle değiştirin ve yük akımı IL değerini bulun.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩRL = 15 Ω
IL = A
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​2 ABRL​8 ΩIL​

a–b arasına RL = 8 Ω yük bağlanmıştır. Devrenin geri kalanını Thévenin eşdeğeriyle değiştirin ve yük akımı IL değerini bulun.

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩRL = 8 Ω
IL = A
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 5 mHC = 0,22 µFR = 20 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 20 Ω üzerinden alınır, L = 5 mH ve C = 0,22 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 20 ΩL = 5 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
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) = 152/(s(s + 8))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 152/(s(s + 8))
PM = °

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: θ = 116,6 °

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 = −1, b = 2 → II

Referans açı

α = atan(2/1) = 63,43°

Argüman

θ = 180° − α = 116,6°

Cevap

θ = 116,6°

Kutupsal biçimde z = 2,236∠116,6°.

2.Karmaşık sayılar

Cevap: θ₀ = 11,25 °

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

811/4 = 3

Kökün argümanı

θ₀ = (45° + 360°·0)/4 = 11,25°

Argüman

θ₀ = 11,25°

Cevap

θ₀ = 11,25°

4 kök, yarıçapı 3 olan çember üzerinde, birbirinden 90° arayla durur.

3.AC empedans ve fazörler

Cevap: L = 0,2878 mH

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 koşulu

Rezonansta endüktif ve kapasitif reaktanslar birbirini götürür: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(12566²·22·10⁻⁶) = 0,2878 mH

Cevap

L = 0,2878 mH
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: VL = 63,25 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/√(0,1·1·10⁻⁶) = 3162 rad/s
I = V/R = 10/50 = 0,2 A

Bobin üzerindeki gerilim

XL = ω₀L = 3162·0,1 = 316,2 Ω
VL = I·XL = 0,2·316,2 = 63,25 V

Cevap

VL = 63,25 V

Bu, kaynak geriliminin Q = 6,325 katıdır.

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: Q = 7,749 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(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Reaktif güç

Q = P·tan φ = 16·0,4843 = 7,749 kvar

Cevap

Q = 7,749 kvar
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: cos φ = 0,7678

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 = 28·tan(arccos 0,65) = 32,74 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·470·10⁻⁶ = 9373 var = 9,373 kvar
Q2 = 32,74 − 9,373 = 23,36 kvar

Yeni görünür güç

S2 = √(28² + 23,36²) = 36,47 kVA

Yeni güç faktörü

cos φ = P/S2 = 28/36,47 = 0,7678

Cevap

cos φ = 0,7678
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Q = 220

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.

Rezonans frekansı

ω₀ = 1/√(LC) = 100000 rad/s

Kalite faktörü

Q = R/(ω₀L) = 22000/(100000·0,001) = 220

Cevap

Q = 220

Bant genişliği 1/(2πRC) = 72,34 Hz’dır.

8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Ecycle = 189,5 nJ

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 = ½·0,01·0,02² = 2 × 10⁻⁶ J

Kalite faktörü

Q = (1/22)·√(0,01/4,7 × 10⁻⁹) = 66,3

Çevrim başına kaybolan enerji

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2 × 10⁻⁶/66,3 = 1,895 × 10⁻⁷ J = 189,5 nJ
kontrol: ½·0,02²·22/23215 = 1,895 × 10⁻⁷ J

Cevap

Ecycle = 189,5 nJ
9.Üç fazlı güç

Cevap: P = 16,53 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| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Toplam aktif güç

Her empedansın yalnızca dirençli kısmı aktif güç harcar.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·20 = 16,53 kW

Cevap

P = 16,53 kW

Kontrol: cos φ = R/|Z| = 0,8 ve √3·VL·IL·cos φ aynı gücü verir.

10.Üç fazlı güç

Cevap: Cph = 1035 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 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 185,8 kvar

Faz başına kapasitans

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 61928/(377·398,4²) = 1035 µF

Cevap

Cph = 1035 µF
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: i = 0,3849 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 = 100 mH / 47 Ω = 2,128 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0,4255 A

Verilen andaki akım

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,4255·(1 − e−5/2,128) = 0,3849 A

Cevap

i = 0,3849 A
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: vC = 2,963 V

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

Kondansatör gerilimi sıçrayamaz; bu yüzden depolanan değerden başlar ve kaynak gerilimine yönelir.

vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 33 µF = 72,6 ms
vC(t) = 6 + (2 − 6)·e−t/τ

Verilen andaki gerilim

vC(20) = 6 + (−4)·e−20/72,6 = 2,963 V

Cevap

vC = 2,963 V
13.Thévenin ve Norton

Cevap: IL = 0,5128 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​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩKISA DEVRER2​12 ΩAabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 6 = 8,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 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) = 15·12/(3+12) = 12 V
Rth​ = 8,4 Ω+−Vth​12 VRL​15 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) = 12/(8,4 + 15) = 0,5128 A
14.Thévenin ve Norton

Cevap: IL = 1,722 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​ = 30 ΩR3​ = 4 ΩKISA DEVRER2​12 ΩAAÇIKBabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 4 = 12,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​2 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) = 10,29 + 2·8,571 = 27,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,43 + 2·4 = 35,43 V
Rth​ = 12,57 Ω+−Vth​35,43 VRL​8 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) = 35,43/(12,57 + 8) = 1,722 A
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 636,6 Hz

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.

Rezonans frekansı

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·2,2 × 10⁻⁷) = 30151 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 4799 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 20/0,005 = 4000 rad/s = 636,6 Hz

Cevap

BW = 636,6 Hz
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 35,77 °

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 + 64ω² − 23104 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·23104))/2 = 123,3
ωc = 11,11 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(11,11/8) = −144,2°
PM = 180° + ∠L = 35,77°

Cevap

PM = 35,77°

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