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
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

z = 3·ej2 sayısının açısı radyan cinsindendir. Gerçek kısmını bulun: a.

r = 3θ = 2 rad
a =
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄z₅

n = 6 ve w = 729∠0° için zⁿ = w denkleminin kökleri, k = 0, 1, …, 5 olmak üzere zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)’dir. z₃ kökünün gerçel kısmını bulun.

w = 729∠0°n = 6k = 3
Re(z₃) =
3.AC empedans ve fazörlerOrta
120 V500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µFI

Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µF
I = A
4.AC empedans ve fazörlerZor
230 V200 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 1 µFI

Seri bir RLC devresi 230 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 1 µF
I = A
5.AC güç ve güç faktörüOrta
230 V13 kW, 0,6214 kW, 0,7I = ?

230 V’luk tek fazlı bir kaynağa iki yük paralel bağlıdır: 0,6 geri güç faktörlü 3 kW’lık bir yük ve 0,7 geri güç faktörlü 14 kW’lık bir yük. Kaynaktan çekilen toplam akım I değerini bulun.

V = 230 VP1 = 3 kW, pf1 = 0,6 geriP2 = 14 kW, pf2 = 0,7 geri
I = A
6.AC güç ve güç faktörüZor
P1​ = 52 kWQ1​S1​φ

100 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,65 geri güç faktöründe 52 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?

Smax = 100 kVAP1 = 52 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
f|I|0,707120 kHzf1​ = ?f2​BW

Bir seri RLC devresi 20 kHz frekansında Q = 4 ile rezonansa giriyor. Alt yarım güç frekansını f1 kHz cinsinden tam olarak bulun.

f0 = 20 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
C = 220 pFr = 20 ΩL = 10 mH

Bir paralel tank devresi, 220 pF değerinde bir kondansatör ile sargı direnci 20 Ω olan 10 mH değerinde bir bobinden oluşuyor. Rezonansta bir direnç gibi davranır; dinamik direnci RD = L/(C·r). RD değerini kΩ cinsinden bulun.

L = 10 mHC = 220 pFr = 20 Ω
RD = kΩ
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 400 VIL​ = 50 Acos φ = 0,85geri

Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 400 V olan bir kaynaktan 50 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,85 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.

VL = 400 VIL = 50 Acos φ = 0,85
P = kW
10.Üç fazlı güçZor
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Dengeli üç fazlı bir yük, 415 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,72 geri güç faktöründe 150 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatör grubunun sağlaması gereken toplam reaktif güç QC değerini kvar cinsinden bulun.

P = 150 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​24 Vt = 0R = 22 ΩL150 mHi(t)

Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 20 ms anında bobinde depolanan enerji W değerini mJ cinsinden bulun.

Vs = 24 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 20 ms
W = mJ
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 18 V vardır. vC değerinin 11,5 V’a ulaşması ne kadar sürer? t değerini bulun.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 V
t = ms
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab

a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​1 ABRL​5 ΩIL​

a–b arasına RL = 5 Ω yük bağlanmıştır. Devrenin geri kalanını Thévenin eşdeğeriyle değiştirin ve yük akımı IL değerini bulun.

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩRL = 5 Ω
IL = A
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)1101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 15

G(s) = 6080/((s + 19)(s + 20)) fonksiyonunun ω = 15 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 6080/((s + 19)(s + 20))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)−270−180−900ω180​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 596/(s(s + 5)(s + 10))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.

L(s) = 596/(s(s + 5)(s + 10))
GM = dB

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: a = −1,248

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.

Euler formülü

z = 3·(cos 2 + j sin 2)

Bileşenler (radyan)

a = 3·cos 2 = −1,248
b = 3·sin 2 = 2,728
a = −1,248

Cevap

a = −1,248
2.Karmaşık sayılar

Cevap: Re(z₃) = −3

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

7291/6 = 3

Kökün argümanı

θ₃ = (0° + 360°·3)/6 = 180°

Dikdörtgen biçim

z₃ = 3·(cos 180° + j sin 180°) = −3
Re(z₃) = −3

Cevap

Re(z₃) = −3

6 kök, yarıçapı 3 olan çember üzerinde, birbirinden 60° arayla durur.

3.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 2,109 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.

Reaktanslar

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (48,36)²) = 56,91 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 120/56,91 = 2,109 A

Cevap

I = 2,109 A
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 0,3755 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.

Reaktanslar

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−607,3)²) = 612,5 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 230/612,5 = 0,3755 A

Cevap

I = 0,3755 A
5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I = 108,5 A

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 = 3·tan(arccos 0,6) = 4 kvar
Q2 = 14·tan(arccos 0,7) = 14,28 kvar

Toplamlar

P = 3 + 14 = 17 kW
Q = 4 + 14,28 = 18,28 kvar
S = √(17² + 18,28²) = 24,97 kVA

Toplam akım

I = S/V = 24965/230 = 108,5 A

Cevap

I = 108,5 A
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: ΔP = 27,4 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 = 52·tan(arccos 0,65) = 60,79 kvar

En büyük toplam aktif güç

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 60,79²) = 79,4 kW

Ek aktif güç

ΔP = 79,4 − 52 = 27,4 kW

Cevap

ΔP = 27,4 kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: f1 = 17,66 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.

Karekök terimi

√(1 + 1/(4·4²)) = 1,008

Alt yarım güç frekansı

f1 = 20000·(1,008 − 0,125) = 17656 Hz = 17,66 kHz

Cevap

f1 = 17,66 kHz

Üst frekans f₂ = 22,66 kHz’dır; kontrol: f₂ − f₁ = 5 kHz = f₀/Q.

8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: RD = 2273 kΩ

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.

Dinamik direnç

RD = 0,01/(2,2 × 10⁻¹⁰·20) = 2,273 × 10⁶ Ω = 2273 kΩ

Q ile kontrol

Q = (1/r)·√(L/C) = 337,1, Q²·r = 2,273 × 10⁶ Ω

Cevap

RD = 2273 kΩ
9.Üç fazlı güç

Cevap: P = 29,44 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 = √3·400·50 = 34,64 kVA

Aktif güç

P = S·cos φ = 34,64·0,85 = 29,44 kW

Cevap

P = 29,44 kW
10.Üç fazlı güç

Cevap: QC = 95,28 kvar

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 = 150·tan(acos 0,72) = 150·0,9639 = 144,6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 95,28 kvar

Cevap

QC = 95,28 kvar
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: W = 80,01 mJ

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 = 150 mH / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 24/22 = 1,091 A

Verilen andaki akım

i(t) = 1,091·(1 − e−20/6,818) = 1,033 A

Depolanan enerji

W = ½·L·i² = ½·150·1,033² = 80,01 mJ

Cevap

W = 80,01 mJ
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: t = 471,3 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 5 + (18 − 5)·e−t/τ

Zaman için çözün

11,5 = 5 + (13)·e−t/τ → e−t/τ = (11,5 − 5)/(18 − 5) = 0,5
t = τ·ln((18 − 5)/(11,5 − 5)) = 680·ln(2) = 471,3 ms

Cevap

t = 471,3 ms
13.Thévenin ve Norton

Cevap: Rth = 18,16 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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩKISA DEVRER2​4 ΩAabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 15 = 18,16 Ω
14.Thévenin ve Norton

Cevap: IL = 0,8721 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​ = 3 ΩKISA DEVRER2​5 ΩAAÇIKBabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 3 = 7,286 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​1 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) = 3,429 + 1·4,286 = 7,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,714 + 1·3 = 10,71 V
Rth​ = 7,286 Ω+−Vth​10,71 VRL​5 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) = 10,71/(7,286 + 5) = 0,8721 A
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 20,04 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)| = 6080/(√(15² + 19²)·√(15² + 20²)) = 6080/(24,21·25) = 10,05

Sonuç

20·log₁₀(10,05) = 20,04 dB

Cevap

|G(jω)| = 20,04 dB
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: GM = 1,996 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/5)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7,071 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

Kazanç payı

GM = 20·log₁₀(750/596) = 1,996 dB

Cevap

GM = 1,996 dB

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