Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 10 ms anında bobinde depolanan enerji W değerini mJ cinsinden bulun.
Vs = 10 VR = 5 ΩL = 33 mHt = 10 ms
W = mJ
8.RC ve RL geçici rejimZor
Anahtar t = 0’da kapanmadan hemen önce kondansatörde gösterilen polaritede 15 V vardır. t = 500 ms anında kondansatör gerilimi vC değerini bulun.
Vs = 12 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 15 Vt = 500 ms
vC = V
9.AC empedans ve fazörlerOrta
L = 5 mH olan seri bir RLC devresi 50 Hz’de rezonansa girmelidir. Gereken kapasite C değerini bulun.
f0 = 50 HzL = 5 mH
C = µF
10.AC empedans ve fazörlerZor
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 = 2 ΩL = 5 mHC = 4,7 µF
VL = V
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 240 V bir kaynaktan 0,9 geri güç faktöründe 19 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.
P = 19 kWpf = 0,9V = 240 V
Q = kvar
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük 240 V, 60 Hz’lik bir kaynaktan 0,7 geri güç faktöründe 5 kW çekiyor. Yüke paralel olarak 33 µF’lık bir kondansatör bağlanıyor. Yeni hat akımı I değerini bulun.
P = 5 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 60 HzC = 33 µF
I = A
13.Üç fazlı güçOrta
Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 690 V olan bir kaynaktan 100 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,82 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 690 VIL = 100 Acos φ = 0,82
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,78 geri güç faktöründe 60 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,92 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 60 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Sarım oranı N₁:N₂ = 5:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 1200 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 12 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I1 değerini bulun.
N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 12 Ω
I1 = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 500 kVA bir transformatörün demir kaybı 2500 W, anma yükündeki bakır kaybı 3750 W’tır. Verimi hangi yükte Sη,max, kVA cinsinden, en yüksektir?
S = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 3750 W
Sη,max = kVA
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: IR2 = 0,8696 A
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 = 12 + 12 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 15·24/(15+24) = 9,231 Ω
Req = R1 + 9,231 = 12 + 9,231 = 21,23 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 30/21,23 = 1,413 A
R₂’den geçen akım
A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,413·12 = 13,04 V
IR2 = VA/R2 = 13,04/15 = 0,8696 A
Cevap
IR2 = 0,8696 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 7,026 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 = 25 + 12 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 10,67 Ω
R3 + 10,67 = 20,67 Ω
R2 ∥ 20,67 = 4,026 Ω
Req = R1 + 4,026 = 3 + 4,026 = 7,026 Ω
Cevap
Req = 7,026 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: IR1 = 1,651 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 = 10 V). Bilinmeyenler: VA, VB.
A düğümünde KAY
A düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların A düğümüne verdiği akıma eşittir.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 10)/8 + (VA − VB)/3 = 0
0,625·VA − 0,3333·VB = 1,25
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/3 = (−3)
−0,3333·VA + 0,4167·VB = −3
Çözün
Δ = (0,625)(0,4167) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1493
VA = Δ1/Δ = −0,4792/0,1493 = −3,209 V
VB = Δ2/Δ = −1,458/0,1493 = −9,767 V
Cevap
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − −3,209)/8 = 1,651 A
4.Düğüm analizi
Cevap: Is = 0,315 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.
A düğümünde KAY
VA bilindiği için bu denklem VB’yi verir.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(4 − 5)/30 + 4/30 = (VB − 4)/3
0,1 = (VB − 4)/3 → VB = 4,3 V
B düğümünde KAY
Dirençler üzerinden B’den çıkan akımlar, kaynakların B’ye ittiği akıma eşittir.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (4,3 − 4)/3 + 4,3/20 = 0,315 A
Cevap
Is = 0,315 A
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 13,33 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.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 10 = 13,33 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IL = −3,373 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.
Tüm kaynaklar kapalıyken Rth’yi bulun
Gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devreyle değiştirin, sonra devreye a–b’den bakın.
R1 ∥ R2 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 30 = 32,61 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) = 26,09 + (−5)·2,609 = 13,04 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,04 + (−5)·30 = −137 V
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) = −137/(32,61 + 8) = −3,373 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: W = 40,18 mJ
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 = 33 mH / 5 Ω = 6,6 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A
Verilen andaki akım
i(t) = 2·(1 − e−10/6,6) = 1,56 A
Depolanan enerji
W = ½·L·i² = ½·33·1,56² = 40,18 mJ
Cevap
W = 40,18 mJ
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vC = 12,32 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 12 + (15 − 12)·e−t/τ
Verilen andaki gerilim
vC(500) = 12 + (3)·e−500/224,4 = 12,32 V
Cevap
vC = 12,32 V
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: C = 2026 µF
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 koşulu
Rezonansta endüktif ve kapasitif reaktanslar birbirini götürür: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314,2²·0,005) = 2026 µF
Cevap
C = 2026 µF
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: VL = 391,4 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/√(0,005·4,7·10⁻⁶) = 6523 rad/s
I = V/R = 24/2 = 12 A
Bobin üzerindeki gerilim
XL = ω₀L = 6523·0,005 = 32,62 Ω
VL = I·XL = 12·32,62 = 391,4 V
Cevap
VL = 391,4 V
Bu, kaynak geriliminin Q = 16,31 katıdır.
11.AC güç ve güç faktörü
Cevap: Q = 9,202 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.
Açı
φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843
Reaktif güç
Q = P·tan φ = 19·0,4843 = 9,202 kvar
Cevap
Q = 9,202 kvar
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: I = 27,71 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.
Önce ve sonra reaktif güç
Aktif güç P değişmez; yalnızca şebekeden çekilen reaktif güç değişir.
Q1 = 5·tan(arccos 0,7) = 5,101 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·33·10⁻⁶ = 716,6 var = 0,7166 kvar
Q2 = 5,101 − 0,7166 = 4,384 kvar
Yeni görünür güç
S2 = √(5² + 4,384²) = 6,65 kVA
Yeni hat akımı
I = S2/V = 6650/240 = 27,71 A
Cevap
I = 27,71 A
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 98 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.
Görünür güç
S = √3·VL·IL = √3·690·100 = 119,5 kVA
Aktif güç
P = S·cos φ = 119,5·0,82 = 98 kW
Cevap
P = 98 kW
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 86,64 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 = 60·tan(acos 0,78) = 60·0,8023 = 48,14 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 22,58 kvar
Faz başına kapasitans
Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.
V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7526/(377·480²) = 86,64 µF
Cevap
Cph = 86,64 µF
15.Transformatörler
Cevap: I1 = 4 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 = 240/12 = 20 A
Primer akım
İdeal bir transformatörün kaybı yoktur: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/5 = 4 A
Cevap
I1 = 4 A
Kontrol: primerden görülen yük a²·RL = 300 Ω’dur ve 1200/300 aynı akımı verir.
16.Transformatörler
Cevap: Sη,max = 408,2 kVA
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.