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 − j5 sayısının argümanını, θ, derece cinsinden, −180° ile 180° arasındaki esas değer olarak bulun.

z = −4 − j5
θ = °
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−1θz

z = −1 + j için z⁹ sayısının gerçel kısmını bulmak üzere De Moivre teoremini kullanın.

z = −1 + jn = 9
Re(z⁹) =
3.AC empedans ve fazörlerOrta
230 V60 HzR = 40 ΩC = 100 µFI

Bir direnç ve bir kondansatör, 230 V (rms), 60 Hz’lik bir kaynağın uçlarına paralel bağlıdır. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩC = 100 µF
φ = °
4.AC empedans ve fazörlerZor
24 Vf0​R = 15 ΩL = 5 mHC = 1 µF

Seri bir RLC devresi, frekansı devrenin rezonans frekansına ayarlanmış 24 V (rms)’lik bir kaynakla sürülüyor. Bobin üzerindeki rms gerilim VL değerini bulun.

V = 24 V (rms)R = 15 ΩL = 5 mHC = 1 µF
VL = V
5.AC güç ve güç faktörüOrta
P = 1 kWQSφ

Tek fazlı bir motor, 240 V bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 1 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.

P = 1 kWpf = 0,75V = 240 V
I = A
6.AC güç ve güç faktörüZor
P1​ = 17 kWQ1​S1​φ

25 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,85 geri güç faktöründe 17 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?

Smax = 25 kVAP1 = 17 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
C = 10 pF+−2 VL = 22 mHiL​

10 V’a yüklenmiş 10 pF değerindeki bir kondansatör, ideal bir 22 mH bobinle salınıyor. Kondansatör gerilimi 2 V olduğu anda bobinde depolanan enerjiyi WL nJ cinsinden bulun.

C = 10 pFV0 = 10 VvC = 2 V
WL = nJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
V5 Ω100 µH10 nF20 mA

Bir seri RLC devresi (R = 5 Ω, L = 100 µH, C = 10 nF) rezonansta 20 mA akım genliğiyle sürülüyor. Bir çevrimde R’de harcanan enerjiyi Ecycle nJ cinsinden bulun.

R = 5 ΩL = 100 µHC = 10 nFIm = 20 mA
Ecycle = nJ
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0,88

Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 75 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %93 ve güç faktörü 0,88 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 415 V. Hat akımı IL değerini bulun.

Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
10.Üç fazlı güçZor
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,7 geri güç faktöründe 300 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 = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​5 Vt = 0R = 15 ΩL100 mHi(t)

Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Anahtar kapandıktan ne kadar sonra akım son değerinin %95’ine ulaşır? t değerini bulun.

Vs = 5 VR = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​6 Vt = 0R = 6,8 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 30 V vardır. t = 150 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.

Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 30 Vt = 150 ms
vC = V
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAab

a–b uçlarından görülen Thévenin direnci Rth değerini bulun.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​0,5 ABab

a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,010,010,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 0,5

G(s) = 20(s + 19)/(s(s + 10)) fonksiyonunun ω = 0,5 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 20(s + 19)/(s(s + 10))ω = 0,5 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) = K/(s(s + 1)(s + 5))’dır. 5 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))GM = 5 dB
K =

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: θ = −128,7 °

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 = −4, b = −5 → III

Referans açı

α = atan(5/4) = 51,34°

Argüman

θ = −(180° − α) = −128,7°

Cevap

θ = −128,7°

Kutupsal biçimde z = 6,403∠−128,7°.

2.Karmaşık sayılar

Cevap: Re(z⁹) = −16

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.

Kutupsal biçim

z = −1 + j = √2∠135°

De Moivre

z⁹ = (√2)⁹∠1215° = 22,63∠135°

Dikdörtgen biçim

z⁹ = 22,63·(cos 135° + j sin 135°) = −16 + j16
Re(z⁹) = −16

Cevap

Re(z⁹) = −16
3.AC empedans ve fazörler

Cevap: φ = −56,45 °

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/(ωC) = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Kol akımları

İki kol da doğrudan kaynağın uçlarına bağlıdır, bu yüzden her biri V geriliminin tamamını görür.

IR = V/R = 230/40 = 5,75 A
IX = V/XC = 230/26,53 = 8,671 A

Toplam akım

Direnç akımı V ile aynı fazdadır, reaktif akım ise 90° faz farklıdır, bu yüzden bir dik üçgenin kenarları gibi toplanırlar.

I = √(IR² + IX²) = √(5,75² + 8,671²) = 10,4 A

Faz açısı

Kondansatör akımı V’den öndedir, bu yüzden toplam akım öndedir ve açı negatiftir.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(8,671/5,75) = −56,45°

Cevap

φ = −56,45°
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: VL = 113,1 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/√(0,005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 24/15 = 1,6 A

Bobin üzerindeki gerilim

XL = ω₀L = 14142·0,005 = 70,71 Ω
VL = I·XL = 1,6·70,71 = 113,1 V

Cevap

VL = 113,1 V

Bu, kaynak geriliminin Q = 4,714 katıdır.

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I = 5,556 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.

Hat akımı

Gücün yalnızca aktif kısmı iş yapar, bu yüzden güç faktörüne bölün.

I = P/(V·cos φ) = 1000/(240·0,75) = 5,556 A

Cevap

I = 5,556 A
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: ΔP = 5,672 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 = 17·tan(arccos 0,85) = 10,54 kvar

En büyük toplam aktif güç

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 10,54²) = 22,67 kW

Ek aktif güç

ΔP = 22,67 − 17 = 5,672 kW

Cevap

ΔP = 5,672 kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: WL = 0,48 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

½·1 × 10⁻¹¹·10² = 5 × 10⁻¹⁰ J

Kondansatörde kalan enerji

½·1 × 10⁻¹¹·2² = 2 × 10⁻¹¹ J

Bobindeki enerji

WL = 4,8 × 10⁻¹⁰ J = 0,48 nJ

Cevap

WL = 0,48 nJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Ecycle = 6,283 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 = ½·1 × 10⁻⁴·0,02² = 2 × 10⁻⁸ J

Kalite faktörü

Q = (1/5)·√(1 × 10⁻⁴/1 × 10⁻⁸) = 20

Çevrim başına kaybolan enerji

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2 × 10⁻⁸/20 = 6,283 × 10⁻⁹ J = 6,283 nJ
kontrol: ½·0,02²·5/159155 = 6,283 × 10⁻⁹ J

Cevap

Ecycle = 6,283 nJ
9.Üç fazlı güç

Cevap: IL = 127,5 A

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.

Elektriksel giriş gücü

Pin = Pout/η = 75/0,93 = 80,65 kW

Hat akımı

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·415·0,88) = 127,5 A

Cevap

IL = 127,5 A
10.Üç fazlı güç

Cevap: QC = 207,5 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 207,5 kvar

Cevap

QC = 207,5 kvar
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: t = 19,97 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 / 15 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A

Zaman için çözün

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −6,667·ln(0,05) = 19,97 ms

Cevap

t = 19,97 ms
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: vC = 14,81 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 22 µF = 149,6 ms
vC(t) = 6 + (30 − 6)·e−t/τ

Verilen andaki gerilim

vC(150) = 6 + (24)·e−150/149,6 = 14,81 V

Cevap

vC = 14,81 V
13.Thévenin ve Norton

Cevap: Rth = 6,765 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​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩKISA DEVRER2​15 ΩAabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 5 = 6,765 Ω
14.Thévenin ve Norton

Cevap: Vth = 13,26 V

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​ = 20 ΩKISA DEVRER2​3 ΩAAÇIKBabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 20 = 22,61 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​0,5 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) = 1,957 + 0,5·2,609 = 3,261 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,261 + 0,5·20 = 13,26 V
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −91,35 °

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(0,5/19) − 90° − atan(0,5/10) = 1,507° − 90° − 2,862°

Sonuç

∠G(j0,5) = −91,35°

Cevap

∠G(jω) = −91,35°
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 16,87

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.

Faz kesişimi

(ω/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

Gerekli kazanç

30/K = 105/20 = 1,778
K = 30/1,778 = 16,87

Cevap

K = 16,87

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