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
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂w

z₁ = 2∠40° ve z₂ = 2∠20° verilmiş. w = z₁/z₂ sayısının argümanını, θ, −180° ile 180° arasında derece cinsinden bulun.

z₁ = 2∠40°z₂ = 2∠20°
θ = °
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm11−1−122−2−2ABCD

A–D noktalarından tam biri z³ = 8∠−90° denkleminin köküdür. Ona tıklayın.

w = 8∠−90°n = 3
  1. 1A (2∠−120°)
  2. 2B (2∠150°)
  3. 3C (1∠−150°)
  4. 4D (2∠−150°)
3.AC empedans ve fazörlerOrta
230 V50 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 22 µFI

Seri bir RLC devresi 230 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 22 µF
I = A
4.AC empedans ve fazörlerZor
12 V50 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

Seri bir RLC devresi 12 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 22 µF
I = A
5.AC güç ve güç faktörüOrta
120 VR + jXP = 1944 W18 A

Endüktif bir yük, 120 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynaktan 18 A ve 1944 W çekiyor. Onu bir X reaktansına seri bağlı bir R direnci olarak modelleyin. R değerini bulun.

V = 120 VI = 18 AP = 1944 W
R = Ω
6.AC güç ve güç faktörüZor
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Tek fazlı bir yük, 240 V, 50 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 40 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,9 değerine yükseltiyor. Kondansatörün sağlaması gereken reaktif güç QC değerini bulun.

P = 40 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
V47 kΩ470 µH220 pF

Bir paralel RLC devresinde R = 47 kΩ, L = 470 µH ve C = 220 pF’dir. Kalite çarpanını Q bulun.

R = 47 kΩL = 470 µHC = 220 pF
Q =
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
V10 Ω4,7 mH470 nF20 mA

Bir seri RLC devresi (R = 10 Ω, L = 4,7 mH, C = 470 nF) rezonansta 20 mA akım genliğiyle sürülüyor. Bir çevrimde R’de harcanan enerjiyi Ecycle nJ cinsinden bulun.

R = 10 ΩL = 4,7 mHC = 470 nFIm = 20 mA
Ecycle = nJ
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M110 kW, η = 90%cos φ = 0,86

Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 110 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %90 ve güç faktörü 0,86 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 400 V. Hat akımı IL değerini bulun.

Pout = 110 kWη = 90%cos φ = 0,86VL = 400 V
IL = A
10.Üç fazlı güçZor
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Dengeli üç fazlı bir yük, 415 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,72 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 Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 6,8 kΩC68 µF+−vC​

Vₛ kaynağı kondansatörü R₁ üzerinden doldurur ve R₂, C’ye paralel bağlıdır. Anahtar t = 0’da kapandığında kondansatör boştur. t = 50 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.

Vs = 20 VR1 = 1 kΩR2 = 6,8 kΩC = 68 µFt = 50 ms
vC = V
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​24 Vt = 0R = 1 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 3 V vardır. vC değerinin 15,6 V’a ulaşması ne kadar sürer? t değerini bulun.

Vs = 24 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAab

Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​5 ABab

Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 20 mHC = 1 µFR = 5 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 5 Ω üzerinden alınır, L = 20 mH ve C = 1 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 5 ΩL = 20 mHC = 1 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) = 200/(s(s + 5))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 200/(s(s + 5))
PM = °

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: θ = 20 °

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.

w’nun modülü ve argümanı

|w| = 2 / 2 = 1
θ = 40° − 20° = 20°

Argüman

θ = 20°

Cevap

θ = 20°
2.Karmaşık sayılar

Cevap: D (2∠−150°)

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 ve argümanları

|z| = 2
θ = −30°, 90°, −150°

Nokta

D = 2∠−150°

Cevap

D (2∠−150°)
3.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 2,789 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (−81,85)²) = 82,46 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 230/82,46 = 2,789 A

Cevap

I = 2,789 A
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 0,09276 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (−129)²) = 129,4 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 12/129,4 = 0,09276 A

Cevap

I = 0,09276 A
5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: R = 6 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 = 1944/18² = 6 Ω

Cevap

R = 6 Ω
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: QC = 15,9 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.

Önce ve sonra reaktif güç

Aktif güç P değişmez; yalnızca şebekeden çekilen reaktif güç değişir.

Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(41,41°) = 35,28 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(25,84°) = 19,37 kvar
QC = Q1 − Q2 = 15,9 kvar

Cevap

QC = 15,9 kvar
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Q = 32,16

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) = 3,11 × 10⁶ rad/s

Kalite faktörü

Q = R/(ω₀L) = 47000/(3,11 × 10⁶·0,00047) = 32,16

Cevap

Q = 32,16

Bant genişliği 1/(2πRC) = 15,39 kHz’dır.

8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Ecycle = 590,6 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 = ½·0,0047·0,02² = 9,4 × 10⁻⁷ J

Kalite faktörü

Q = (1/10)·√(0,0047/4,7 × 10⁻⁷) = 10

Çevrim başına kaybolan enerji

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·9,4 × 10⁻⁷/10 = 5,906 × 10⁻⁷ J = 590,6 nJ
kontrol: ½·0,02²·10/3386 = 5,906 × 10⁻⁷ J

Cevap

Ecycle = 590,6 nJ
9.Üç fazlı güç

Cevap: IL = 205,1 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 = 110/0,9 = 122,2 kW

Hat akımı

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 122222/(√3·400·0,86) = 205,1 A

Cevap

IL = 205,1 A
10.Üç fazlı güç

Cevap: Cph = 391,3 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 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 63,52 kvar

Faz başına kapasitans

Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21172/(314,2·415²) = 391,3 µF

Cevap

Cph = 391,3 µF
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: vC = 9,934 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.

Kondansatörün gördüğü Thévenin eşdeğeri

Rth’yi bulmak için kaynağı kısa devre edin; kondansatörün yerleşeceği gerilimi bulmak için kondansatörü açık devre yapın.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·6,8/(1 + 6,8) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 20·6,8/(1 + 6,8) = 17,44 V

Zaman sabiti

τ = Rth·C = 0,8718·68 = 59,28 ms

Şarj eğrisi

vC(t) = 17,44·(1 − e−50/59,28) = 9,934 V

Cevap

vC = 9,934 V
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: t = 62,31 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 24 + (3 − 24)·e−t/τ

Zaman için çözün

15,6 = 24 + (−21)·e−t/τ → e−t/τ = (15,6 − 24)/(3 − 24) = 0,4
t = τ·ln((3 − 24)/(15,6 − 24)) = 68·ln(2,5) = 62,31 ms

Cevap

t = 62,31 ms
13.Thévenin ve Norton

Cevap: IN = 3,13 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​ = 2 ΩKISA DEVRER2​8 ΩAabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 2 = 4,182 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​8 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) = 18·8/(3+8) = 13,09 V
IN​3,13 ARth​4,182 Ωab

Norton eşdeğeri

Norton kaynağı, aynı devrenin R_th ile paralel bir akım kaynağı olarak görünümüdür. Akımı, a–b’deki kısa devre akımıdır.

IN = Vth/Rth = 13,09/4,182 = 3,13 A
14.Thévenin ve Norton

Cevap: IN = −4,848 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​ = 6 ΩR3​ = 15 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 15 = 16,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​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) = 2,5 + (−5)·1,5 = −5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −5 + (−5)·15 = −80 V
IN​4,848 ARth​16,5 Ωab

Norton eşdeğeri

Norton kaynağı, aynı devrenin R_th ile paralel bir akım kaynağı olarak görünümüdür. Akımı, a–b’deki kısa devre akımıdır.

IN = Vth/Rth = −80/16,5 = −4,848 A
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 39,79 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/√(0,02·1 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1125 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 5/0,02 = 250 rad/s = 39,79 Hz

Cevap

BW = 39,79 Hz
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 20,04 °

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 + 25ω² − 40000 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·40000))/2 = 187,9
ωc = 13,71 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(13,71/5) = −160°
PM = 180° + ∠L = 20,04°

Cevap

PM = 20,04°

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