A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu B’dedir, bu yüzden VB − VA = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak VB düğüm gerilimini (topraktan ölçülen) bulun.
Is = 1,5 AVs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 8 Ω
VB = V
4.Düğüm analiziZor
Düğüm analizi kullanarak ok yönünde R2 üzerinden geçen IR2 akımını bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
6.Thévenin ve NortonZor
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Bobin 2 A’lik sabit bir akım taşıyor. t = 0’da anahtar devreyi R üzerinden kapatır ve kaynak çıkarılır, böylece bobin akımı R üzerinden azalır. Akımın 1 A’e düşmesi ne kadar sürer? t değerini bulun.
i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 100 mH
t = ms
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 3 V vardır. vC değerinin 5,4 V’a ulaşması ne kadar sürer? t değerini bulun.
Vs = 9 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 3 V
t = ms
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Kaynaktan çekilen aktif güç P değerini bulun.
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 47 µF
P = W
10.AC empedans ve fazörlerZor
Bir R1 direnci, R2 ile bir C kondansatörünün paralel birleşimine seri bağlıdır ve 100 V (rms), 100 Hz’lik bir kaynağın uçlarına bağlanmıştır. Rms akım I değerini bulun.
V = 100 V (rms)f = 100 HzR1 = 15 ΩR2 = 60 ΩC = 22 µF
I = A
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Empedansı Z = 3 + j4 Ω olan bir yük 120 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynağa bağlıdır. Görünür güç S değerini bulun.
V = 120 VZ = 3 + j4 Ω
S = VA
12.AC güç ve güç faktörüZor
75 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,7 geri güç faktöründe 27 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?
Smax = 75 kVAP1 = 27 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
13.Üç fazlı güçOrta
Faz başına empedansı 12 + j5 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 = 12 + j5 Ω faz başına
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 400 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,72 geri güç faktöründe 100 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,92 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatör grubunun sağlaması gereken toplam reaktif güç QC değerini kvar cinsinden bulun.
P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatörlerOrta
Sarım oranı N₁:N₂ = 5:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 1200 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 6 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I1 değerini bulun.
N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 6 Ω
I1 = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 150 kVA bir transformatörün demir kaybı 750 W, anma yükündeki bakır kaybı 1125 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %50 kadarını 0,9 geri güç faktöründe besliyor. Bu yükteki toplam kayıplar Ploss değerini watt cinsinden bulun.
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R3 + R4 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 10 + 3 = 13 Ω
Cevap
Req = 13 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 8,182 Ω
Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.
Dirençleri en uzak uçtan birleştirin
Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.
R5 + R6 = 3 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 3,568 Ω
R3 + 3,568 = 15,57 Ω
R2 ∥ 15,57 = 3,182 Ω
Req = R1 + 3,182 = 5 + 3,182 = 8,182 Ω
Cevap
Req = 8,182 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: VB = 10,67 V
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Süper düğüm oluşturun
A ile B arasındaki gerilim kaynağı bilinmeyen bir akım taşır, bu yüzden A veya B için ayrı ayrı KAY yazılamaz. A, B ve kaynağı tek bir süper düğüm içine alın: ona giren akım çıkan akıma eşittir.
VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is
Çözün
VA/10 + (VA + 9)/8 = 1,5
VA = (1,5 − 9/8)/(1/10 + 1/8) = 1,667 V
VB = 1,667 + 9 = 10,67 V
Cevap
VB = 10,67 V
4.Düğüm analizi
Cevap: IR2 = −1,069 A
Düğüm analizi: bir referans düğüm seçin, bilinmeyen düğüm gerilimlerini adlandırın, Ohm yasasını (I = ΔV/R) kullanarak her bilinmeyen düğümde Kirchhoff akım yasasını yazın ve denklemleri çözün.
Düğümleri belirleyin
Toprak alttaki teldir. Bilinen düğüm gerilimleri doğrudan kaynaklardan gelir (V1 = 6 V, V2 = 15 V). Bilinmeyenler: VA, VB.
A düğümünde KAY
A düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların A düğümüne verdiği akıma eşittir.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/3 + (VA − 6)/4 + (VA − VB)/12 = 0
0,6667·VA − 0,08333·VB = 1,5
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
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.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 4 = 11,5 Ω
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) = 10·20/(12+20) = 6,25 V
6.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 36,39 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.
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 + 15 = 17,61 Ω
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) = 1,174 + 2·2,609 = 6,391 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,391 + 2·15 = 36,39 V
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 0,6931 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
τ = L/R = 100 mH / 100 Ω = 1 ms
Zaman için çözün
1 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/1)
t = 1·ln(2) = 0,6931 ms
Cevap
t = 0,6931 ms
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 16,86 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.
t = τ·ln((3 − 9)/(5,4 − 9)) = 33·ln(1,667) = 16,86 ms
Cevap
t = 16,86 ms
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: P = 95,55 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 = 62,83 Ω, XC = 6,773 Ω
Empedans
|Z| = √(25² + (56,06)²) = 61,38 Ω
Aktif güç
Bobinler ve kondansatörler yalnızca enerji depolar ve geri verir; aktif gücün tamamını direnç harcar.
I = 120/61,38 = 1,955 A
P = I²·R = 1,955²·25 = 95,55 W
Cevap
P = 95,55 W
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 1,709 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.
Reaktans
XC = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω
Paralel birleşim
Zp’yi reel ve sanal kısımlara ayırmak için pay ve paydayı karmaşık eşlenikle çarpın.
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.
Akım
|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 120/5 = 24 A
Görünür güç
S = V·I = 120·24 = 2880 VA
Cevap
S = 2880 VA
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: ΔP = 42,76 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 = 27·tan(arccos 0,7) = 27,55 kvar
En büyük toplam aktif güç
Tam değerde S = Smax’tır ve Q dirençsel yükle değişmez.
P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 27,55²) = 69,76 kW
Ek aktif güç
ΔP = 69,76 − 27 = 42,76 kW
Cevap
ΔP = 42,76 kW
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 36,69 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| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 415/13 = 31,92 A
Toplam aktif güç
Her empedansın yalnızca dirençli kısmı aktif güç harcar.
P = 3·Iph²·R = 3·31,92²·12 = 36,69 kW
Cevap
P = 36,69 kW
Kontrol: cos φ = R/|Z| = 0,9231 ve √3·VL·IL·cos φ aynı gücü verir.
14.Üç fazlı güç
Cevap: QC = 53,79 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 53,79 kvar
Cevap
QC = 53,79 kvar
15.Transformatörler
Cevap: I1 = 8 A
İdeal transformatör: gerilimler sarım sayılarının oranında, akımlar ters oranda bulunur: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a ve I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a; böylece giriş gücü çıkış gücüne eşittir, V₁·I₁ = V₂·I₂. Sekonderdeki bir Z yük empedansı primerden a²·Z olarak görünür.
Sekonder gerilim ve akım
V2 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/6 = 40 A
Primer akım
İdeal bir transformatörün kaybı yoktur: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/5 = 8 A
Cevap
I1 = 8 A
Kontrol: primerden görülen yük a²·RL = 150 Ω’dur ve 1200/150 aynı akımı verir.
16.Transformatörler
Cevap: Ploss = 1031 W
Transformatör kayıpları: demir kaybı (histerezis ve girdap akımları) gerilime bağlıdır ve her yükte aynıdır. Sargılardaki bakır kaybı akımın karesiyle değişir; bu yüzden anma yükünün x kesrinde x²·Pcu,fl olur. Verim η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), burada Pout = x·S·pf. Verim, bakır kaybının demir kaybına eşit olduğu yükte en yüksektir.