Şekildeki gibi A düğümü ile toprak arasına üç kol bağlıdır. Düğüm analizi kullanarak 2 kolunda ok yönünde yukarı, A düğümüne doğru akan I2 akımını bulun.
a–b uçlarından görülen Thévenin gerilimi Vth değerini bulun.
V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
6.Thévenin ve NortonZor
Norton akımı IN değerini bulun: uçlar kısa devre edilirse a’dan b’ye akan akım.
V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
7.RC ve RL geçici rejimOrta
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. Anahtar kapandıktan ne kadar sonra akım son değerinin %80’ine ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 6 VR = 22 ΩL = 220 mH
t = ms
8.RC ve RL geçici rejimZor
R2 üzerindeki anahtar uzun süredir açıktır, bu yüzden bobin akımı sabittir. t = 0’da anahtar kapanır ve R2 direncini kısa devre eder. t = 0’dan ne kadar sonra bobin akımı 1,2 A’e ulaşır? t değerini bulun.
Vs = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩL = 68 mH
t = ms
9.AC empedans ve fazörlerOrta
L = 5 mH olan seri bir RLC devresi 2000 Hz’de rezonansa girmelidir. Gereken kapasite C değerini bulun.
f0 = 2000 HzL = 5 mH
C = µF
10.AC empedans ve fazörlerZor
Bir R1 direnci, R2 ile bir C kondansatörünün paralel birleşimine seri bağlıdır ve 24 V (rms), 200 Hz’lik bir kaynağın uçlarına bağlanmıştır. Rms akım I değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 200 HzR1 = 10 ΩR2 = 100 ΩC = 2,2 µF
I = A
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Tek fazlı bir motor, 230 V bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 40 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.
P = 40 kWpf = 0,65V = 230 V
Q = kvar
12.AC güç ve güç faktörüZor
12 V (rms), 1000 Hz’lik bir kaynağın iç empedansı Zs = 20 + j3 Ω’dur. Yük empedansı ZL serbestçe seçilebilir. Yüke verilebilecek en büyük aktif güç Pmax değerini bulun.
Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 20 + j3 Ω
Pmax = W
13.Üç fazlı güçOrta
Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 480 V olan bir kaynaktan 10 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,88 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 480 VIL = 10 Acos φ = 0,88
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 400 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,8 geri güç faktöründe 200 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,9 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 200 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Çıkış direnci 125 Ω olan bir yükselteç, ideal bir transformatör üzerinden 5 Ω’luk bir hoparlörü sürüyor. En büyük güç aktarımı için hoparlör yükseltece 125 Ω olarak görünmelidir. Sarım oranı a = N₁/N₂ değerini bulun.
Rs = 125 ΩRL = 5 Ω
a =
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 50 kVA bir transformatörün demir kaybı 150 W’tır. Anma yükünde ve 0,85 geri güç faktöründe verimi %96’dir. Tam yükteki bakır kaybı Pcu,fl değerini watt cinsinden bulun.
S = 50 kVAPcore = 150 Wpf = 0,85η = 96%
Pcu,fl = W
3Çözeltiler
1.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 13,83 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.
R3 + R4 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 10·14/(10+14) = 5,833 Ω
Req = R1 + 5,833 = 8 + 5,833 = 13,83 Ω
Cevap
Req = 13,83 Ω
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 5,912 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 13,21 Ω
R3 + 13,21 = 43,21 Ω
R2 ∥ 43,21 = 1,912 Ω
Req = R1 + 1,912 = 4 + 1,912 = 5,912 Ω
Cevap
Req = 5,912 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: I2 = 1,05 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
Alttaki teli toprak kabul edin. Her kol A’dan dışarı (VA − Vk)/Rk akımı taşır; Vk kolun kaynağının gerilimidir (sade bir direnç için sıfır). A’dan çıkan akımların toplamı sıfırdır.
(VA − (−12))/5 + (VA − 10)/10 + (VA − 12)/10 = 0
VA’yı çözün
VA = ((−12)/5 + 10/10 + 12/10) / (1/5 + 1/10 + 1/10) = −0,2/0,4 = −0,5 V
Kol akımı
Ok kol boyunca yukarı, A düğümüne doğru gösterir.
I2 = (10 − VA)/R2 = (10 − (−0,5))/10 = 1,05 A
Cevap
I2 = 1,05 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
4.Düğüm analizi
Cevap: VB = 48 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.
Düğümleri belirleyin
Toprak alttaki teldir. Bilinen düğüm gerilimleri doğrudan kaynaklardan gelir (V1 = 30 V, V2 = 24 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/6 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/12 = 0
0,5833·VA − 0,08333·VB = 10
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/15 + (VB − VA)/12 + (VB − 24)/30 = 6
−0,08333·VA + 0,1833·VB = 6,8
Çözün
Δ = (0,5833)(0,1833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1
VA = Δ1/Δ = 2,4/0,1 = 24 V
VB = Δ2/Δ = 4,8/0,1 = 48 V
Cevap
VB = 48 V
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Vth = 11,54 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 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 3 = 6,077 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) = 30·5/(8+5) = 11,54 V
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IN = 1,809 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 20 = 21,88 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) = 6,75 + 1,5·1,875 = 9,563 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,563 + 1,5·20 = 39,56 V
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 = 39,56/21,88 = 1,809 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 16,09 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 ve son akım
Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.
τ = L/R = 220 mH / 22 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 6/22 = 0,2727 A
Zaman için çözün
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −10·ln(0,2) = 16,09 ms
Cevap
t = 16,09 ms
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: t = 3,474 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
t = 0’dan önce iki direnç de devrededir; sonra kapalı anahtar R₂’yi devre dışı bırakır.
i(0) = 15/(10 + 5) = 1 A
i(∞) = 15/10 = 1,5 A
τ = L/R = 68/10 = 6,8 ms
i(t) = 1,5 + (1 − 1,5)·e−t/τ
Zaman için çözün
e−t/τ = (1,2 − 1,5)/(1 − 1,5) = 0,6
t = 6,8·ln(1,667) = 3,474 ms
Cevap
t = 3,474 ms
9.AC empedans ve fazörler
Cevap: C = 1,267 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·2000 = 12566 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(12566²·0,005) = 1,267 µF
Cevap
C = 1,267 µF
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: I = 0,2263 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·200·2,2·10⁻⁶) = 361,7 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.
Açı
φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169
Reaktif güç
Q = P·tan φ = 40·1,169 = 46,77 kvar
Cevap
Q = 46,77 kvar
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: Pmax = 1,8 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 − j3 Ω
En büyük güç
I = Vs/(2Rs) = 12/40 = 0,3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·20) = 1,8 W
Cevap
Pmax = 1,8 W
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 7,316 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 = √3·480·10 = 8,314 kVA
Aktif güç
P = S·cos φ = 8,314·0,88 = 7,316 kW
Cevap
P = 7,316 kW
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 352,4 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 = 200·tan(acos 0,8) = 200·0,75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 53,14 kvar
Faz başına kapasitans
Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.
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.
Aktarılmış yükü eşleyin
a²·5 = 125
a = √(125/5) = √25 = 5
Cevap
a = 5
16.Transformatörler
Cevap: Pcu,fl = 1621 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.