A ile B arasındaki Vₛ gerilim kaynağının + ucu A’dadır, bu yüzden VA − VB = Vₛ yapar. Süper düğümlü düğüm analizi kullanarak ok yönünde R1 üzerinden geçen IR1 akımını bulun.
Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 5 ms anında bobin üzerindeki vL gerilimini bulun.
Vs = 15 VR = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
8.RC ve RL geçici rejimZor
Bir zamanlayıcı, t = 0’da 12 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 10,8 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 20 ms sonra tetiklemelidir. C = 22 µF ile gereken direnç R değerini bulun.
Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 20 msC = 22 µF
R = kΩ
9.AC empedans ve fazörlerOrta
Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin güç faktörü cos φ değerini bulun.
V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 22 µF
cos φ =
10.AC empedans ve fazörlerZor
Seri bir RLC devresi 120 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin rezonans frekansı f0 değerini bulun.
V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 22 µF
f0 = Hz
11.AC güç ve güç faktörüOrta
Empedansı Z = 12 + j9 Ω olan bir yük 230 V (rms)’lik tek fazlı bir kaynağa bağlıdır. Görünür güç S değerini bulun.
V = 230 VZ = 12 + j9 Ω
S = VA
12.AC güç ve güç faktörüZor
Tek fazlı bir yük, 230 V, 60 Hz bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 25 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,9 değerine yükseltiyor. Yeni hat akımı Inew değerini bulun.
P = 25 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
13.Üç fazlı güçOrta
Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 400 V olan bir kaynaktan 80 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,92 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.
VL = 400 VIL = 80 Acos φ = 0,92
P = kW
14.Üç fazlı güçZor
Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 120 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,95 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı Cph değerini µF cinsinden bulun.
P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatörlerOrta
Sarım oranı N₁:N₂ = 5:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 1150 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 40 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I1 değerini bulun.
N1:N2 = 5:1V1 = 1150 VRL = 40 Ω
I1 = A
16.TransformatörlerZor
Tek fazlı 50 kVA bir transformatörün demir kaybı 300 W, anma yükündeki bakır kaybı 1200 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %75 kadarını 0,85 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 = 6 + 12 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 5·18/(5+18) = 3,913 Ω
Req = R1 + 3,913 = 12 + 3,913 = 15,91 Ω
Kaynaktan çekilen akım
Kaynak yalnızca Req’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.
IR1 = V1/Req = 6/15,91 = 0,377 A
Cevap
IR1 = 0,377 A
2.Seri ve paralel dirençler
Cevap: Req = 10,78 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 = 30 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 12,59 Ω
R3 + 12,59 = 15,59 Ω
R2 ∥ 15,59 = 6,781 Ω
Req = R1 + 6,781 = 4 + 6,781 = 10,78 Ω
Cevap
Req = 10,78 Ω
3.Düğüm analizi
Cevap: IR1 = 0,2804 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). 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/3 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/12 = 0
0,5417·VA − 0,08333·VB = 0,75
B düğümünde KAY
B düğümünden dirençler üzerinden çıkan akımlar, kaynakların B düğümüne verdiği akıma eşittir.
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 − 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Çözün
(VA − 10)/6 + VA/6 + (VA − 8)/10 = 2
VA·(1/6 + 1/6 + 1/10) = 2 + 10/6 + 8/10 = 4,467
VA = 4,467/0,4333 = 10,31 V
VB = 2,308 V
R₁’den geçen akım
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 10,31)/6 = −0,05128 A
Cevap
IR1 = −0,05128 A
Negatif sonuç, gerçek akımın oka ters yönde aktığı anlamına gelir.
5.Thévenin ve Norton
Cevap: Rth = 19 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 Ω
6.Thévenin ve Norton
Cevap: IL = 0,885 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 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 30 = 31,67 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) = 1,667 + 1·1,667 = 3,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,333 + 1·30 = 33,33 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) = 33,33/(31,67 + 6) = 0,885 A
7.RC ve RL geçici rejim
Cevap: vL = 1,787 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 ve son akım
Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.
τ = L/R = 47 mH / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A
Bobin gerilimi
t = 0’da besleme geriliminin tamamı bobin üzerindedir; sonra sıfıra söner.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−5/2,35 = 1,787 V
Cevap
vL = 1,787 V
8.RC ve RL geçici rejim
Cevap: R = 0,3948 kΩ
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.
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 = 25,13 Ω, XC = 36,17 Ω
Empedans
|Z| = √(40² + (−11,04)²) = 41,5 Ω
Güç faktörü
cos φ = R/|Z| = 40/41,5 = 0,964
Devre kapasitiftir, bu yüzden güç faktörü ileridir.
Cevap
cos φ = 0,964
10.AC empedans ve fazörler
Cevap: f0 = 75,87 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.
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| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 230/15 = 15,33 A
Görünür güç
S = V·I = 230·15,33 = 3527 VA
Cevap
S = 3527 VA
12.AC güç ve güç faktörü
Cevap: Inew = 120,8 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 = P·tan φ1 = 25·tan(53,13°) = 33,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(25,84°) = 12,11 kvar
QC = Q1 − Q2 = 21,23 kvar
Yeni hat akımı
Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(230·0,9) = 120,8 A
Cevap
Inew = 120,8 A
13.Üç fazlı güç
Cevap: P = 50,99 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 = √3·400·80 = 55,43 kVA
Aktif güç
P = S·cos φ = 55,43·0,92 = 50,99 kW
Cevap
P = 50,99 kW
14.Üç fazlı güç
Cevap: Cph = 254,8 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 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar
Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç
QC = Q1 − Q2 = 66,39 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) = 22129/(377·480²) = 254,8 µF
Cevap
Cph = 254,8 µF
15.Transformatörler
Cevap: I1 = 1,15 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 = 1150/5 = 230 V
I2 = 230/40 = 5,75 A
Primer akım
İdeal bir transformatörün kaybı yoktur: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/5 = 1,15 A
Cevap
I1 = 1,15 A
Kontrol: primerden görülen yük a²·RL = 1000 Ω’dur ve 1150/1000 aynı akımı verir.
16.Transformatörler
Cevap: Ploss = 975 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.