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
ReIm55−5−51010−10−10zABCD

Diyagram z = −4 − j sayısını gösteriyor. w = 2∠90° iken z·w sayısını temsil eden noktaya tıklayın.

z = −4 − jw = 2∠90°
  1. 1A (−8 − j2)
  2. 2B (1 − j4)
  3. 3C (−2 + j8)
  4. 4D (2 − j8)
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃

n = 4 ve w = 81∠120° için zⁿ = w denkleminin kökleri, k = 0, 1, 2, 3 olmak üzere zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)’dir. z₁ kökünün sanal kısmını bulun.

w = 81∠120°n = 4k = 1
Im(z₁) =
3.AC empedans ve fazörlerOrta
24 V200 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µFI

Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Kaynaktan çekilen aktif güç P değerini bulun.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
P = W
4.AC empedans ve fazörlerZor
10 V1000 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

Seri bir RLC devresi 10 V (rms), 1000 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
5.AC güç ve güç faktörüOrta
P = 40 kWQSφ

Tek fazlı bir motor, 230 V bir kaynaktan 0,85 geri güç faktöründe 40 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.

P = 40 kWpf = 0,85V = 230 V
I = A
6.AC güç ve güç faktörüZor
24 V60 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

24 V (rms), 60 Hz’lik bir kaynağın iç empedansı Zs = 20 + j10 Ω’dur. Yük empedansı ZL serbestçe seçilebilir. Yüke verilebilecek en büyük aktif güç Pmax değerini bulun.

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j10 Ω
Pmax = W
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
C = 1 nF+−9,6 VL = 10 mHiL​

24 V’a yüklenmiş 1 nF değerindeki bir kondansatör, ideal bir 10 mH bobinle salınıyor. Kondansatör gerilimi 9,6 V olduğu anda bobinde depolanan enerjiyi WL nJ cinsinden bulun.

C = 1 nFV0 = 24 VvC = 9,6 V
WL = nJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
C = 2,2 nFr = 5 ΩL = 220 µH

Bir paralel tank devresi, 2,2 nF değerinde bir kondansatör ile sargı direnci 5 Ω olan 220 µH değerinde bir bobinden oluşuyor. Rezonansta bir direnç gibi davranır; dinamik direnci RD = L/(C·r). RD değerini kΩ cinsinden bulun.

L = 220 µHC = 2,2 nFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 415 VZ = 16 + j12 Ωfaz başına

Faz başına empedansı 16 + j12 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 = 16 + j12 Ω faz başına
P = kW
10.Üç fazlı güçZor
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,65 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. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.

P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC ve RL geçici rejimOrta
R = 20 Ωt = 0L150 mHi(t)

Bobin 1 A’lik sabit bir akım taşıyor. t = 0’da anahtar devreyi R üzerinden kapatır ve kaynak çıkarılır, böylece bobin akımı R üzerinden azalır. t = 10 ms anında R üzerindeki gerilim vR değerini bulun.

i(0) = 1 AR = 20 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vR = V
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 4 V vardır. t = 500 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 100 µFvC(0) = 4 Vt = 500 ms
vC = V
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩARL​5 ΩIL​B

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

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩRL = 5 Ω
IL = A
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​C = 4,7 nFR = 2,2 kΩvout​

Gösterilen RC yüksek geçiren filtre için R = 2,2 kΩ, C = 4,7 nF geçerlidir. 3,8 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.

R = 2,2 kΩC = 4,7 nFf = 3,8 kHz
|H| = dB
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) = 386/(s(s + 6)(s + 7))’dır. ∠L(jω) = −180° olduğu faz kesişim frekansını ω180 bulun.

L(s) = 386/(s(s + 6)(s + 7))
ω180 = rad/s

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: D (2 − j8)

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 etkisi

|z·w| = 2·|z|, arg(z·w) = arg z + 90°

Nokta

z·w = 2 − j8 → D

Cevap

D (2 − j8)
2.Karmaşık sayılar

Cevap: Im(z₁) = 2,598

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

θ₁ = (120° + 360°·1)/4 = 120°

Dikdörtgen biçim

z₁ = 3·(cos 120° + j sin 120°) = −1,5 + j2,598
Im(z₁) = 2,598

Cevap

Im(z₁) = 2,598

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

3.AC empedans ve fazörler

Cevap: P = 0,7418 W

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

XL = 125,7 Ω, XC = 361,7 Ω

Empedans

|Z| = √(80² + (−236,1)²) = 249,2 Ω

Aktif güç

Bobinler ve kondansatörler yalnızca enerji depolar ve geri verir; aktif gücün tamamını direnç harcar.

I = 24/249,2 = 0,09629 A
P = I²·R = 0,09629²·80 = 0,7418 W

Cevap

P = 0,7418 W
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 0,01629 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·10·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (612,4)²) = 613,7 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 10/613,7 = 0,01629 A

Cevap

I = 0,01629 A
5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I = 204,6 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) = 40000/(230·0,85) = 204,6 A

Cevap

I = 204,6 A
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: Pmax = 7,2 W

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.

Eşlenik uyum

Yük reaktansı kaynak reaktansını götürür ve yük direnci kaynak direncine eşittir.

ZL = Zs* = 20 − j10 Ω

En büyük güç

I = Vs/(2Rs) = 24/40 = 0,6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·20) = 7,2 W

Cevap

Pmax = 7,2 W
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: WL = 241,9 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 × 10⁻⁹·24² = 2,88 × 10⁻⁷ J

Kondansatörde kalan enerji

½·1 × 10⁻⁹·9,6² = 4,608 × 10⁻⁸ J

Bobindeki enerji

WL = 2,419 × 10⁻⁷ J = 241,9 nJ

Cevap

WL = 241,9 nJ
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: RD = 20 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 = 0,00022/(2,2 × 10⁻⁹·5) = 20000 Ω = 20 kΩ

Q ile kontrol

Q = (1/r)·√(L/C) = 63,25, Q²·r = 20000 Ω

Cevap

RD = 20 kΩ
9.Üç fazlı güç

Cevap: P = 20,67 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| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 415/20 = 20,75 A

Toplam aktif güç

Her empedansın yalnızca dirençli kısmı aktif güç harcar.

P = 3·Iph²·R = 3·20,75²·16 = 20,67 kW

Cevap

P = 20,67 kW

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

10.Üç fazlı güç

Cevap: Cph = 1451 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 126,1 kvar

Faz başına kapasitans

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 42022/(377·277,1²) = 1451 µF

Cevap

Cph = 1451 µF
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: vR = 5,272 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.

Zaman sabiti

τ = L/R = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms

Akımın azalması

i(t) = 1·e−10/7,5 = 0,2636 A
vR = R·i = 20·0,2636 = 5,272 V

Cevap

vR = 5,272 V
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: vC = 8,485 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 100 µF = 220 ms
vC(t) = 9 + (4 − 9)·e−t/τ

Verilen andaki gerilim

vC(500) = 9 + (−5)·e−500/220 = 8,485 V

Cevap

vC = 8,485 V
13.Thévenin ve Norton

Cevap: IL = 0,1742 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​ = 10 ΩR3​ = 20 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 20 = 26 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​15 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) = 9·15/(10+15) = 5,4 V
Rth​ = 26 Ω+−Vth​5,4 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) = 5,4/(26 + 5) = 0,1742 A
14.Thévenin ve Norton

Cevap: IN = 5,246 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​ = 25 ΩR3​ = 6 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 6 = 10,17 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​5 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 + 5·4,167 = 23,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,33 + 5·6 = 53,33 V
IN​5,246 ARth​10,17 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 = 53,33/10,17 = 5,246 A
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |H| = −12,41 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.

Köşe frekansı

ωc = 1/(RC) = 1/(2200·4,7 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 3800/15392 = 0,2469

Kazanç

|H| = 0,2469/√(1 + 0,2469²) = 0,2397
20·log₁₀(0,2397) = −12,41 dB

Cevap

|H| = −12,41 dB
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ω180 = 6,481 rad/s

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/6)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(6·7) = 6,481 rad/s

Cevap

ω180 = 6,481 rad/s

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