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 = 2,5·ej2,8 sayısının açısı radyan cinsindendir. Sanal kısmını bulun: b.

r = 2,5θ = 2,8 rad
b =
2.Karmaşık sayılarZor
ReIm22−2−244−4−466−6−6ABCD

A–D noktalarından tam biri z⁶ = 729∠−90° denkleminin köküdür. Ona tıklayın.

w = 729∠−90°n = 6
  1. 1A (3∠45°)
  2. 2B (3∠−45°)
  3. 3C (5,4∠75°)
  4. 4D (3∠75°)
3.AC empedans ve fazörlerOrta
10 V500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 10 µF

Seri bir RLC devresi 10 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 10 µF
φ = °
4.AC empedans ve fazörlerZor
24 V200 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 47 µF

Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin rezonans frekansı f0 değerini bulun.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 47 µF
f0 = Hz
5.AC güç ve güç faktörüOrta
P = 5 kWQSφ

Tek fazlı bir motor, 400 V bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 5 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.

P = 5 kWpf = 0,65V = 400 V
I = A
6.AC güç ve güç faktörüZor
P1​ = 35 kWQ1​S1​φ

100 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,85 geri güç faktöründe 35 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 = 35 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiOrta
V100 Ω100 mH10 nF

Bir seri RLC devresinde R = 100 Ω, L = 100 mH ve C = 10 nF’dir. Kalite çarpanını Q bulun.

R = 100 ΩL = 100 mHC = 10 nF
Q =
8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliğiZor
V5 Ω22 µH4,7 nF50 mA

Bir seri RLC devresi (R = 5 Ω, L = 22 µH, C = 4,7 nF) rezonansta 50 mA akım genliğiyle sürülüyor. Bir çevrimde R’de harcanan enerjiyi Ecycle nJ cinsinden bulun.

R = 5 ΩL = 22 µHC = 4,7 nFIm = 50 mA
Ecycle = nJ
9.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M110 kW, η = 90%cos φ = 0,82

Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 110 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %90 ve güç faktörü 0,82 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 480 V. Hat akımı IL değerini bulun.

Pout = 110 kWη = 90%cos φ = 0,82VL = 480 V
IL = A
10.Üç fazlı güçZor
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Dengeli üç fazlı bir yük, 400 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 75 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,98 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.

P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC ve RL geçici rejimOrta
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 10 kΩC10 µF+−vC​

Vₛ kaynağı kondansatörü R₁ üzerinden doldurur ve R₂, C’ye paralel bağlıdır. Anahtar t = 0’da kapandığında kondansatör boştur. Anahtar kapandıktan sonra devrenin zaman sabiti τ değerini bulun.

Vs = 15 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µF
τ = ms
12.RC ve RL geçici rejimZor
+−Vs​12 Vt = 0’da açılırR1​ = 1 kΩR2​ = 3,3 kΩi2​C33 µF+−vC​

Anahtar uzun süredir kapalıdır, bu yüzden devre kararlı hâldedir. t = 0’da anahtar açılır. t = 80 ms anında R2 üzerinden geçen i2 akımını bulun.

Vs = 12 VR1 = 1 kΩR2 = 3,3 kΩC = 33 µFt = 80 ms
i2 = mA
13.Thévenin ve NortonOrta
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Thévenin ve NortonZor
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​3 ABRL​30 ΩIL​

a–b arasına RL = 30 Ω yük bağlanmıştır. Thévenin eşdeğerini kullanarak yüke aktarılan PL gücünü bulun.

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩRL = 30 Ω
PL = W
15.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−200ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 8

G(s) = (s + 1)/(s(s + 16)) fonksiyonunun ω = 8 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = (s + 1)/(s(s + 16))ω = 8 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 + 5)(s + 10))’dır. 20 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))GM = 20 dB
K =

3Çözeltiler

1.Karmaşık sayılar

Cevap: b = 0,8375

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 = 2,5·(cos 2,8 + j sin 2,8)

Bileşenler (radyan)

a = 2,5·cos 2,8 = −2,356
b = 2,5·sin 2,8 = 0,8375
b = 0,8375

Cevap

b = 0,8375
2.Karmaşık sayılar

Cevap: A (3∠45°)

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| = 3
θ = −15°, 45°, 105°, 165°, −135°, −75°

Nokta

A = 3∠45°

Cevap

A (3∠45°)
3.AC empedans ve fazörler

Cevap: φ = 83,93 °

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 = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (282,3)²) = 283,9 Ω

Faz açısı

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(282,3/30) = 83,93°

Cevap

φ = 83,93°
4.AC empedans ve fazörler

Cevap: f0 = 59,94 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·√(0,15·47·10⁻⁶)) = 59,94 Hz

Cevap

f0 = 59,94 Hz
5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I = 19,23 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) = 5000/(400·0,65) = 19,23 A

Cevap

I = 19,23 A
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: ΔP = 62,62 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 = 35·tan(arccos 0,85) = 21,69 kvar

En büyük toplam aktif güç

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 21,69²) = 97,62 kW

Ek aktif güç

ΔP = 97,62 − 35 = 62,62 kW

Cevap

ΔP = 62,62 kW
7.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Q = 31,62

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.

Karakteristik empedans

√(L/C) = √(0,1/1 × 10⁻⁸) = 3162 Ω

Kalite faktörü

Q = 3162/100 = 31,62

Cevap

Q = 31,62

Rezonans frekansı 5,033 kHz’dır, dolayısıyla BW = f₀/Q = 159,2 Hz.

8.LC rezonansı, Q çarpanı ve bant genişliği

Cevap: Ecycle = 12,63 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 = ½·2,2 × 10⁻⁵·0,05² = 2,75 × 10⁻⁸ J

Kalite faktörü

Q = (1/5)·√(2,2 × 10⁻⁵/4,7 × 10⁻⁹) = 13,68

Çevrim başına kaybolan enerji

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,75 × 10⁻⁸/13,68 = 1,263 × 10⁻⁸ J = 12,63 nJ
kontrol: ½·0,05²·5/494948 = 1,263 × 10⁻⁸ J

Cevap

Ecycle = 12,63 nJ
9.Üç fazlı güç

Cevap: IL = 179,3 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/(√3·480·0,82) = 179,3 A

Cevap

IL = 179,3 A
10.Üç fazlı güç

Cevap: Cph = 400,4 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 = 75·tan(acos 0,65) = 75·1,169 = 87,68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 72,46 kvar

Faz başına kapasitans

Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 24152/(377·400²) = 400,4 µF

Cevap

Cph = 400,4 µF
11.RC ve RL geçici rejim

Cevap: τ = 31,97 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.

Kondansatörün gördüğü Thévenin eşdeğeri

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

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·10/(4,7 + 10) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 15·10/(4,7 + 10) = 10,2 V

Zaman sabiti

τ = Rth·C = 3,197·10 = 31,97 ms

Cevap

τ = 31,97 ms
12.RC ve RL geçici rejim

Cevap: i2 = 1,339 mA

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.

Başlangıçtaki kondansatör gerilimi

Kararlı hâlde kondansatör açık devredir, bu yüzden R₁ ve R₂ bir gerilim bölücü oluşturur. Anahtar açıldığında kondansatör gerilimi sıçrayamaz.

vC(0) = 12·3,3/(1 + 3,3) = 9,209 V

Anahtar açıldıktan sonraki zaman sabiti

τ = R2·C = 3,3·33 = 108,9 ms

Boşalma

vC(t) = 9,209·e−80/108,9 = 4,418 V
i2 = vC/R2 = 4,418/3,3 = 1,339 mA

Cevap

i2 = 1,339 mA
13.Thévenin ve Norton

Cevap: IN = 0,4054 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​ = 20 ΩR3​ = 2 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 2 = 10,57 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 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) = 10·15/(20+15) = 4,286 V
IN​0,4054 ARth​10,57 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 = 4,286/10,57 = 0,4054 A
14.Thévenin ve Norton

Cevap: PL = 20,08 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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩKISA DEVRER2​8 ΩAAÇIKBabRth​

Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun

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

R1 ∥ R2 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 4 = 6,667 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​8 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) = 10 + 3·2,667 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + 3·4 = 30 V
Rth​ = 6,667 Ω+−Vth​30 VRL​30 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) = 30/(6,667 + 30) = 0,8182 A
PL = IL²·RL = 0,8182²·30 = 20,08 W
15.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −33,69 °

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(8/1) − 90° − atan(8/16) = 82,87° − 90° − 26,57°

Sonuç

∠G(j8) = −33,69°

Cevap

∠G(jω) = −33,69°
16.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 75

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

Gerekli kazanç

750/K = 1020/20 = 10
K = 750/10 = 75

Cevap

K = 75

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