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 = 3∠−40° sayısını a + jb dikdörtgen biçiminde yazın ve sanal kısmı, b, verin.

r = 3θ = −40°
b =
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. z₃ kökünün sanal kısmını bulun.

w = 81∠45°n = 4k = 3
Im(z₃) =
3.AC empedans ve fazörlerOrta
100 V200 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 22 µF

Seri bir RLC devresi 100 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 22 µF
φ = °
4.AC empedans ve fazörlerZor
24 V500 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF

Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin rezonans frekansı f0 değerini bulun.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF
f0 = Hz
5.AC güç ve güç faktörüOrta
400 V18 kW, 0,7528 kW, 1I

400 V’luk tek fazlı bir kaynağa iki yük paralel bağlıdır: 0,75 geri güç faktörlü 8 kW’lık bir yük ve 8 kW’lık bir ısıtıcı (birim güç faktörü). Kaynağın gördüğü toplam güç faktörü cos φ değerini bulun.

V = 400 VP1 = 8 kW, pf1 = 0,75 geriP2 = 8 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.AC güç ve güç faktörüZor
P1​ = 3 kWQ1​S1​φ

10 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,75 geri güç faktöründe 3 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?

Smax = 10 kVAP1 = 3 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
C = 1 µF+−6,75 VL = 47 µHiL​

9 V’a yüklenmiş 1 µF değerindeki bir kondansatör, ideal bir 47 µH bobinle salınıyor. Kondansatör gerilimi 6,75 V olduğu anda bobinde depolanan enerjiyi WL µJ cinsinden bulun.

C = 1 µFV0 = 9 VvC = 6,75 V
WL = µJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
VR = ?470 µHC

Bir seri rezonans devresi 470 µH değerinde bir bobin kullanıyor. Hangi toplam seri direnç R, 5 kHz bant genişliği verir?

L = 470 µHBW = 5 kHz
R = Ω
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 400 VNZ = 24 + j18 Ωfaz başına

Faz başına empedansı 24 + j18 Ω olan dengeli Y bağlı bir yük, fazlar arası gerilimi 400 V olan dengeli üç fazlı bir kaynağa bağlanmıştır. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.

VL = 400 VZ = 24 + j18 Ω faz başına
P = kW
10.Üç fazlı güçZor
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Dengeli üç fazlı bir yük, 415 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 100 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.

P = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​5 Vt = 0R = 68 ΩL220 mHi(t)

Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Anahtar kapandıktan ne kadar sonra akım son değerinin %75’ine ulaşır? t değerini bulun.

Vs = 5 VR = 68 ΩL = 220 mH
t = ms
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 15 V vardır. vC değerinin 13,2 V’a ulaşması ne kadar sürer? t değerini bulun.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​3 ABRL​10 ΩIL​

a–b arasına RL = 10 Ω yük bağlanmıştır. Thévenin eşdeğerini kullanarak yüke aktarılan PL gücünü bulun.

V1 = 5 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩRL = 10 Ω
PL = W
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,10,1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 2

G(s) = 25(s + 3)/(s(s + 4)) fonksiyonunun ω = 2 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 25(s + 3)/(s(s + 4))ω = 2 rad/s
∠G(jω) = °
16.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 308/(s(s + 8)(s + 9))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.

L(s) = 308/(s(s + 8)(s + 9))
GM = dB

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: b = −1,928

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 = 3·cos(−40°) = 2,298
b = 3·sin(−40°) = −1,928

Dikdörtgen biçim

z = 2,298 − j1,928
b = −1,928

Cevap

b = −1,928
2.Karmaşık sayılar

Cevap: Im(z₃) = −2,942

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

θ₃ = (45° + 360°·3)/4 = 281,3° → −78,75°

Dikdörtgen biçim

z₃ = 3·(cos −78,75° + j sin −78,75°) = 0,5853 − j2,942
Im(z₃) = −2,942

Cevap

Im(z₃) = −2,942

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

3.AC empedans ve fazörler

Cevap: φ = 82,52 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (152,3)²) = 153,6 Ω

Faz açısı

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(152,3/20) = 82,52°

Cevap

φ = 82,52°
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: f0 = 239,9 Hz

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 endüktif ve kapasitif reaktanslar birbirini götürür: ωL = 1/(ωC). Kaynak frekansı önemli değildir.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,02·22·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Cevap

f0 = 239,9 Hz
5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: cos φ = 0,915

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.

Her yükün reaktif gücü

Geri güç faktörlü yük reaktif güç çeker (Q > 0); ileri güç faktörlü yük reaktif güç verir (Q < 0).

Q1 = 8·tan(arccos 0,75) = 7,055 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Toplamlar

P = 8 + 8 = 16 kW
Q = 7,055 + 0 = 7,055 kvar
S = √(16² + 7,055²) = 17,49 kVA

Toplam güç faktörü

cos φ = P/S = 16/17,49 = 0,915 geri

Cevap

cos φ = 0,915
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: ΔP = 6,644 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 = 3·tan(arccos 0,75) = 2,646 kvar

En büyük toplam aktif güç

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(10² − 2,646²) = 9,644 kW

Ek aktif güç

ΔP = 9,644 − 3 = 6,644 kW

Cevap

ΔP = 6,644 kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: WL = 17,72 µJ

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

½·1 × 10⁻⁶·9² = 4,05 × 10⁻⁵ J

Kondansatörde kalan enerji

½·1 × 10⁻⁶·6,75² = 2,278 × 10⁻⁵ J

Bobindeki enerji

WL = 1,772 × 10⁻⁵ J = 17,72 µJ

Cevap

WL = 17,72 µJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: R = 14,77 Ω

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.

Seri bant genişliği

BW = R/(2πL)

Direnç

R = 2π·0,00047·5000 = 14,77 Ω

Cevap

R = 14,77 Ω
9.Üç fazlı güç

Cevap: P = 4,267 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 = 400/√3 = 230,9 V

Faz akımı

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 230,9/30 = 7,698 A

Toplam aktif güç

Her empedansın yalnızca dirençli kısmı aktif güç harcar.

P = 3·Iph²·R = 3·7,698²·24 = 4,267 kW

Cevap

P = 4,267 kW

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

10.Üç fazlı güç

Cevap: Cph = 1553 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 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 84,04 kvar

Faz başına kapasitans

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 28015/(314,2·239,6²) = 1553 µF

Cevap

Cph = 1553 µF
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: t = 4,485 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 = 220 mH / 68 Ω = 3,235 ms
i(∞) = Vs/R = 5/68 = 0,07353 A

Zaman için çözün

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −3,235·ln(0,25) = 4,485 ms

Cevap

t = 4,485 ms
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: t = 36,88 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

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

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 9 + (15 − 9)·e−t/τ

Zaman için çözün

13,2 = 9 + (6)·e−t/τ → e−t/τ = (13,2 − 9)/(15 − 9) = 0,7
t = τ·ln((15 − 9)/(13,2 − 9)) = 103,4·ln(1,429) = 36,88 ms

Cevap

t = 36,88 ms
13.Thévenin ve Norton

Cevap: Rth = 13 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​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩKISA DEVRER2​20 ΩAabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 3 = 13 Ω
14.Thévenin ve Norton

Cevap: PL = 53,84 W

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​ = 30 ΩKISA DEVRER2​2 ΩAAÇIKBabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 30 = 31,2 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​3 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) = 2 + 3·1,2 = 5,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,6 + 3·30 = 95,6 V
Rth​ = 31,2 Ω+−Vth​95,6 VRL​10 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) = 95,6/(31,2 + 10) = 2,32 A
PL = IL²·RL = 2,32²·10 = 53,84 W
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −82,87 °

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.

Açıları toplayın

∠G = atan(2/3) − 90° − atan(2/4) = 33,69° − 90° − 26,57°

Sonuç

∠G(j2) = −82,87°

Cevap

∠G(jω) = −82,87°
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: GM = 11,98 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.

Faz kesişimi

(ω/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 81)) = K/(8·9·(8 + 9)) = K/1224

Kazanç payı

GM = 20·log₁₀(1224/308) = 11,98 dB

Cevap

GM = 11,98 dB

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