Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Transkriptio

1 Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri) Virta alkaa kulkea, kondensaattori varautua, vastustaa yhä enemmän virran kulkua I Kirchhoffin lait ovat hyvä idea 1. Homogeeniyhtälön yleinen ratkaisu: 2. Epähomogeeniyhtälön erityisratkaisu:

2 Kondensaattori ja vastus piirissä kuvina (RC) I

3 Kondensaattori ja vastus piirissä (RC) Kondensaattori varattu: Q0 = CV0 Suljetaan katkaisija S Epäilemättä kondensaattori purkautuu, mutta miten? Kirchhoffin 2. sääntö (jännitetasapaino): VC(t) + VR(t) = 0 Kirchhoffin 1. sääntö (virtatasapaino): I(t) = dq/dt

4 Kondensaattori ja vastus piirissä (RC) 1. Ratkaisuyrite: 2. Sijoitus yhälöön: Tässä on aikavakio: τ = RC 3. Alkuarvo:

5 Kondensaattori ja vastus piirissä (RC) Halutaan, että jännite pysyy yli 75 %:n tasolla ainakin 0,2 s, kun lähde pettää. Oletetaan, että itse elektroniikkalaite ei vie juurikaan virtaa V0 C = 8,5 μf

6 Käämi menee piiriin: induktanssi Ne, joiden mielestä muuntaja toimii näin ovat oikeassa Keskinäisinduktanssi M riippuu geometriasta suunnittelu Jos di1/dt 0, niin epäilemättä käämin 2 läpi kulkeva magneettivuo ΦB muuttuu eli dφb/dt 0 Indusoituu jännite. Ei ole suuri ihme, että tähän tulee yksi vakio: keskinäisinduktanssi I1 ja kun käämien roolit vaihdetaan: ja lopulta:

7 Käämi menee piiriin: induktanssi Kaksi käämiä siis vaikuttaa toisiinsa seuraavasti: virta muuttuu magneettivuo muuttuu indusoituu jännite Mutta tarvitaanko tähän kaksi käämiä vai riittäisikö yksikin: virta muuttuu magneettivuo muuttuu indusoituu jännite Kyllä riittää. Otetaan käämi ja johdetaan sen läpi muuttuva virta käämin päiden väille Faradayn lain mukaan indusoituu jännite, joka Lenzin lain mukaan vastustaa virran muutosta. L on (itseis)induktanssi

8 Induktanssi: solenoidi Ampèren lain avulla saimme magneettikentän voimakkuuden B:

9 Käämi menee piiriin: magneettinen energia Itseinduktion sähköteho on: Käämi säilöö magnetostaattista energiaa. Kondesaattori säilöö sähköstaattista energiaa eli: Tämä energia on säilötty käämin magneettikenttään. Tulosta kannattaa verrata kondensaattoriin:

10 Magneettinen energia: solenoidi Taas kerran on rehellistä kysyä: Mihin se energia meni? Magneettikentän energiatiheys (energia / tilavuus): Kokeneesti vertaamme sähkökenttään:

11 Kolmen sortin komponenttia Nimi Tyyppi Symboli Jännitehäviö Vastus Resistiivinen R VR = RI Kondensaattori Kapasitiivinen C VC = Q/C Käämi Induktiivinen L VL = -L di/dt Piirrosmerkit: Piirrosmerkki

12 Käämi piirissä Kirchhoffin lait pätevät yhä: L Pelkkä käämi johtaa siis rajatta kasvavaan virtaan! V0 R C V0 V0 Vertaa tuttuihin tuotteisiin:

13 LR-piirit Pelkkä käämi tasajännitelähteen kanssa ei ollut niin kovin hyvä idea. Lisätään siis vastus. Kirchhoffin lait ovat edelleen ihan hyvä idea. Differentiaaliyhtälö! HY: EHY: HY + EHY: Alkuehto I(0)=0:

14 LR-piirit Piirin yhtälö on nyt vain HY: ja alkuehto: Energia: Käämiin varastoitunut magneettinen energia kuluu vastuksessa.

15 Vauhtiin päästyä: LC-piirit Kirchhoffin lait ovat edelleen ihan hyvä idea. Jännitelaki: Varauksen säilyminen: Näyttää kumman tutulta, vrt: Joten, taas:

16 Tämän hetken piirit Piiri Yhtälö R RC 1. kertaluvun differentiaaliyhtälö LR 2. kertaluvun differentiaaliyhtälö LC

17 Kaikki komponentit somasti samassa: RLC-piiri Kirchhoffin laki: R2 = 4L/C Mekaaninen analogia: 1. R2 > 4L/C: vaimeneva ratkaisu: 2. R2 < 4L/C: oskilloiva ratkaisu:

18 Vaihtovirtapiirit Vaihtovirtapiirissä on Jännitelähde (generaattori tai verkkojännite) Komponentteja, joita mallinnetaan vastuksella, kondensaattorilla ja käämillä

19 Vaihtovirtapiirit Vaihtovirtapiirin käytös riippuu jännitelähteen kulmataajuudesta

20 Vaihtojännite ja -virta: Miten tarkastella? Käytännössä generaattorimme tuottavat sinimuotoista (tai kosinimuotoista) jännitettä. Ei ole käytännöllistä puhua vaihtojännitteestä sinimuotoisena funktiona. Mutta miten sitten? Jaksonaika T = 2π/ω, tämän sisällä kaikki toistuu. 2. Entä huippuarvo V0? 1. Olisko keskiarvo hyvä mittari? Ei surkein mahdollinen vaihtoehto. Tosin kuvaa vain ääriarvoa. 3. Entä tehollinen keskiarvo Vrms? Aina nolla. Ei kovin nerokasta. Käytännössä aina käytössä, merkitään jopa Vrms = V

21 Vaihtojännite ja -virta: Teholliset arvot Kun piirissä vain vastuksia: Kuinka käy sähkötehon P(t) = V(t) I(t) =?

22 Vaihtovirtapiirit (L + vaihtojännitelähde) Kirchhoffin laki: virta ja jännite eri vaiheessa I0 = V0/(L ω)

23 Vaihtovirtapiirit (C + vaihtojännitelähde) Kirchhoffin laki: virta ja jännite eri vaiheessa I0 = ωcv0

24 Esimerkki: L-vaihtovirtapiiri: virta kulkee, tehoa ei kulu? P>0 V I P<0 V I P = VI

25 Vaihtovirtapiirit (se viimeinen: RLC + vaihtojännite) Kirchhoffin laki: Yrite: Induktiivinen reaktanssi XL = ωl Kapasitiivinen reaktanssi XC = 1/ωC

26 Vaihtovirtapiirit (se viimeinen: RLC + vaihtojännite) Z2, Z = impedanssi

27 Vaihtovirtapiirit (se viimeinen: RLC + vaihtojännite) Tehollinen virta = Tehollinen jännite / Impedanssi

28 Teho siinä viimeisessä vaihtovirtapiirissä (RLC) Tehokerroin

29 Viimeinen vaihtovirtapiiri (RLC)

30 Kootaan tulokset: RLC-vaihtovirtapiiri Nimi Tehollinen vaikutus Vastus Resistiivinen Tehollinen suuruus Piirrosmerkki R Kondensaattori Käämi Kapasitiivinen reaktanssi Induktiivinen reaktanssi XC = 1/ωC XL = ωl Teho: Impedanssi: Virta:

31 Kootaan tulokset: RLC-vaihtovirtapiiri Impedanssi Z: Tehokerroin cos φ:

32 Kootaan tulokset: RLC-vaihtovirtapiirin teho Muodollista tehoa kutsutaan näennäistehoksi: Yksikköboxi: Todellinen piirissä kuluva teho on pätöteho: [P] = W (watti) [S] = VA (volttiampeeri) [Q] = var (vari) Piirin palauttama teho on loisteho.

33 RLC-vaihtovirtapiirin tehot TM 13/2012 testasi varavirtalaitteita (UPS) Näennäisteho, yksikkö VA Pätöteho, yksikkö W

34 Esimerkki: kuristin vaihtovirtapiirissä MitenTasavirtapiirin kävi: 1. Virta pieneni, Laitteenvain ottama teho pieneni virtaa voi2.rajoittaa vastuksella. 3. Myös jännitelähteen antama pätöteho pieneni Vaihtovirran tapauksessa tilanne on toisin.

35 Jännitteet komponenttien yli RLC-piirissä? + eli tehollisina arvoina: + erityisesti:

36 RLC-piirin resonanssi Koska RLC-piirin yhtälö virralle: on samanlainen kuin mekaanisen pakkovärähtelijän: niin piirinkin saa resonanssiin. Virta I on suurimmillaan, kun ωl = 1/ωC ω = ω0 = 1/ LC

37 Esimerkki: Jännite RLC-piirin komponentin yli 1. Kaiuttimen ( C ) yli vaikuttava huippujännite: selvästi suurimmillaan, kun impedanssi Z pienimmillään 2. Valitaan siis ω0 siten, että piiri resonanssissa: siispä eli joten Ei ihan helppoa arvata.

38 Sähkömagnetismi: kertaus Kurssin keskeisimmät asiat? 1. Sähkö- ja magneettikenttä 2. Lait sähkö- ja magneettikentille eli Maxwellin yhtälöt 3. Lorentzin voima 4. Sähkömagneettinen aalto 5. Kapasitanssi- ja induktanssi-ilmiöt 6. Kondensaattori ja käämi komponentteina 7. RC-, RL- ja RLC-vaihtojännitepiirit