Sähkötekniikka ja elektroniikka

Samankaltaiset tiedostot
Sähkötekniikka ja elektroniikka

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

Magneettinen energia

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

DEE Sähkötekniikan perusteet

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Sähkötekniikka ja elektroniikka

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Luento 2. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

DEE Sähkötekniikan perusteet

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

PIIRIANALYYSI. Harjoitustyö nro 7. Kipinänsammutuspiirien mitoitus. Mika Lemström

Laplace-muunnos: määritelmä

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Erään piirikomponentin napajännite on nolla, eikä sen läpi kulje virtaa ajanhetkellä 0 jännitteen ja virran arvot ovat. 500t.

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

ELEC-C3230 Elektroniikka 1. Luento 1: Piirianalyysin kertaus (Lineaariset vahvistinmallit)

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Sähkötekniikka ja elektroniikka

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

14.1 Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait R 1. I 1 I 3 liitos + - R 2. silmukka. Kuva 14.1: Liitoksen, haaran ja silmukan määrittely virtapiirissä.

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Sähkötekniikka ja elektroniikka

DEE Sähkötekniikan perusteet

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

5 DIFFERENTIAALIYHTÄLÖRYHMÄT

Luento 1. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 1

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

DEE Sähkötekniikan perusteet

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

v AB q(t) = q(t) v AB p(t) v B V B ṗ(t) = q(t) v AB Φ(t, τ) = e A(t τ). e A = I + A + A2 2! + A3 = exp(a D (t τ)) (I + A N (t τ)), A N = =

( ) ( ) ( ) ( ) SMG-1100 Piirianalyysi I, kesäkurssi, harjoitus 1(3) Tehtävien ratkaisuehdotukset

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 6 Laskuharjoitus 13: Rajapintaehdot ja siirrosvirta

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Sähkömagnetismi (ENG2)

Harjoitus 1. Tehtävä 1. Malliratkaisut. f(t) = e (t α) cos(ω 0 t + β) L[f(t)] = f(t)e st dt = e st t+α cos(ω 0 t + β)dt.

Sähkötekniikka. NBIELS12 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Monisilmukkainen vaihtovirtapiiri

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

Korkeammat derivaatat

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Korkeammat derivaatat

PERUSRAKENTEET Forward converter, Myötävaihemuunnin ( BUCK regulaattori )

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

Kun järjestelmää kuvataan operaattorilla T, sisäänmenoa muuttujalla u ja ulostuloa muuttujalla y, voidaan kirjoittaa. y T u.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

DEE Sähkötekniikan perusteet

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Magneettikenttä ja sähkökenttä

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

järjestelmät Luento 8

2.2 Energia W saadaan, kun tehoa p(t) integroidaan ajan t suhteen. Täten akun kokonaisenergia W tot saadaan lausekkeesta ( )

Ohjeita fysiikan ylioppilaskirjoituksiin

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC)

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

Transkriptio:

Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)

Passiiviset peruskomponentit Luento Kondensaattori kapasitanssi C; yhtälö i =f(u) perustuu varauksen häviämättömyyden lakiin (virran määritelmä) Kela induktanssi L; yhtälö u =f(i) perustuu Faradayn induktiolakiin (yksi jännitteen määritelmistä) Muutosilmiöt eli transienttianalyysi Diracin deltafunktio Eksponentiaaliset muutosilmiöt RC, RL Vaimeneva värähtely RLC, RCC, RLL Laplace-muunnos (ei kuulu kurssiin) Teoriaa laajasti: Elektroniikka ja sähkötekniikka, 2018 Page 2 (23)

Kela ja induktanssi L, Faradayn induktiolaki Varastoi energiaa, mutta ei kuluta tehoa, jos käämissä ei ole resistanssia i u L ψ = Li = Nφ i w L = 1 2 Li2 u = u(t) = dψ dt = d(li) = L di dt dt t u L vrt. u = Ri i = i(t) = 1 udt + I L0 vrt. i = Gu L 0 Induktanssi [L] = H = Vs/A = henry Käämivuo [ψ] = Vs = Wb = weber Magneettivuo [φ] = Vs = Wb I L0 = i(0) = kelan virta hetkellä t = 0, kierrosmäärä N w L = kelaan varastoitunut energia (J) Page 3 (23)

di- ja dt -jumppaa u = u(t) = L di dt udt = Ldi t i(t) = 1 L udt = L t t di udt = 1 L t 0 i = i(t) = 1 udt + I L0 L 0 ( d d t dt (i) = 1 L dt di dt = 1 L u + 0 0 u(t) Ala t I L0 udt + 1 L ) udt + d dt (vakio) t 0 udt Page 4 (23)

Kondensaattori ja kapasitanssi C, Sähkövirran määritelmä Ei ole vastusta; varastoi energiaa, mutta ei kuluta tehoa u i C + C + C C q = Cu w C = 1 2 Cu2 i = dq dt = d(cu) = C du dt dt u = 1 C t 0 idt + U C0 vrt. i = Gu vrt. u = Ri Kapasitanssi [C] = F = As/V = faradi Varaus [q] = As = C = coulombi U C0 = u(0) = kondensaattorin eli konkan jännite hetkellä t = 0 w C = kondensaattoriin varautunut energia [J] Page 5 (23)

Jännite ja virta kelassa ja konkassa, yhteenveto Varastoitunut hetkellinen energia w = w(t) w L = 1 2 Li2 w C = 1 2 Cu2 u L = L di dt i L (t) = 1 L t 0 udt + i L (0) i C = C du dt u C (t) = 1 C t 0 idt + u C (0) Page 6 (23)

Diracin deltafunktio δ(t), nopea muutosilmiö Jännite- tai virtapiikki, korkeus, leveys nolla (vrt. Laplace-muunnos) Kelan virta tai kondensaattorin jännite katkaistaan brutaalisti: u L = L di dt L 0 I L 0 i C = C du dt C 0 U C 0 u L = Lδ(t) i C = Cδ(t) U C C virtapiikki i C (t) u L (t) t = 0 i C t = 0 t jännitepiikki suojaus t = 0 I L u L L i L i L Page 7 (23)

Ylärivi: 6. vasemmalta Schrödinger, 8. Pauli, 9. Heisenberg, 12. X Keskirivi: 5. Dirac (keskimm.), 6. Compton, 7. de Broglie, 9. Bohr Alarivi: 2. Planck, 3. MC (2xNP), 4. Lorentz, 5. mc 2 [Solvay 1927] 8

Muutosilmiöt Circuit Transients Transienttianalyysi L ja C varastoivat energiaa Energiavarastot verrannollisia virtaan (L) ja jännitteeseen (C) Varastot eivät voi muuttua äkkijyrkästi: i L ja u C jatkuvia Muutosilmiöt ovat eksponenttifunktioita RC ja RL 1. kertaluvun differentiaaliyhtälöt LC, RLC, RCC ja RLL 2. kertaluvun d. y. Page 9 (23)

Jännitelähteen kytkeminen Switching On Jännite u C ja virta i L muuttuvat eksponenttikäyrää pitkin E R t = 0 C u C E R t = 0 i L L u C i L kasvava = kupera t Page 10 (23)

Jännitteen katkaisu Switching Off Lähde nollataan. Huom. todellista jännitelähdettä ei saa oikosulkea! toteaa nimimerkki Coke musta on! E R R i L t = 0 C u C E t = 0 L u C i L pienenevä = kovera t Page 11 (23)

Kondensaattorin lataaminen Charging the C Alkujännitteestä U C0 alkaen. Tulos on johdettu tuonnempana. u R R t = 0 i E C u E U C0 R i t u E U C0 u(t 0) = E (E U C0 )e t/(rc) t Page 12 (23)

Differentiaaliyhtälö Differential Equation Yrite on yhtälön tunnettu ratkaisu, jonka vakioita ei vielä tunneta. t 0 : u R E R C i u E + Ri + u = 0 E = RC du dt + u }{{} differentiaaliyhtalo i = C du dt u(t) = B + Ae t/τ }{{} yrite tai E = Ri + 1 C t 0 idt + u(0) Page 13 (23)

Vakioiden määrittäminen Coefficients Sijoitetaan yrite alkuperäiseen yhtälöön E = RC du dt }{{} A τ e t/τ + u }{{} B+Ae t/τ }{{} E + RC A τ e t/τ = }{{} B + Ae }{{ t/τ } mnt }{{} mnt jht jht Munat ja jauhot -menetelmä (mnt, jht): yhtälön on oltava voimassa kaikilla t:n arvoilla; jauhoilla ei voi kompensoida munia! B = E A saadaan Alkuehdosta (t = 0): τ = RC u(0) = U C0 = B + Ae 0/τ = B + A A = U C0 B Page 14 (23)

Raja-arvot Limit Values Nollaa lähestytään miinus- tai pluspuolelta Samanlaista merkintää käytetään matematiikassa. i(t) E U C0 R i(0 + ) t i(0 ) u(t) E U C0 t i(0 ) = 0 i(0 + ) = E U C0 R u(0 ) = u(0 + ) = u(0) = U C0 Page 15 (23)

Yleinen esitysmuoto General Form Ei tarvita differentiaaliyhtälöä ainoastaan alku- ja loppuarvot! Silmäile tätä kertausvaiheessa! u( ) = B + Ae /τ = B + 0 = B u(0) = B + Ae 0/τ = B + A u(t) = u( ) +[u(0) u( )] }{{}}{{} B A e t/τ E R u(t) u( ) i( ) = 0 t u( ) u(0) Page 16 (23)

Aikavakio Time Constant Määrittäminen graafisesti tai matemaattisesti on triviaalia Silmäile tätä kertausvaiheessa! A > 0, B = 0 A A e t τ Vino viiva on käyrän tangentti A < 0 B B + A e B + A t τ 1 e 0,37 1 1 e 0,63 Page 17 (23)

Induktanssin kytkeminen piiriin Switching On eli "energisointi", vrt. kondensaattorin lataaminen E u R i(t) R t = 0 L u(t) E = u R + u = Ri + L di dt u(t) i(t) E RI L0 E/R t I L0 t Page 18 (23)

Induktanssin tyhjentäminen Switching Off Aluksi E:n tasavirta menee kokonaan vastuksettoman kelan läpi R i(t) E L R u(t) t = 0 i(t) u(t) t RI L0 t I L0 L:n ja C:n muutosilmiöt ovat matemaattisesti samanlaisia, jos u:t ja i:t vaihdetaan päikseen. Page 19 (23)

RC- ja RL-piirit, yhteenvetoa Kelan TAI konkan muuttuva virta ja jännite Tyypillisiä tapauksia, silmäile tätä kertausvaiheessa älä ennen! i L tai u C u L = L di L dt tai i C = C du C dt Vakio (d.c.) 0 Lineaarisesti kasvava Lineaarisesti pienenevä Kasvava eksponenttikäyrä Pienenevä eksponenttikäyrä positiivinen vakio negatiivinen vakio pienenevä eksponenttikäyrä kasvava eksponenttikäyrä Page 20 (23)

LC- ja RLC-piirit: kela JA konkka Toisen kertaluvun differentiaaliyhtälö! Alinna eräs ratkaisu. t = 0 R L C E i(t) t E = Ri(t) + L di(t) + 1 dt C 0 = R di dt + L d2 i dt 2 + i C + 0 [ E s = RI(s) + L si(s) + 1 C 0 i(t)dt + U C0 I(s) s (derivoitu) + U ] C0 s (Laplace muunnettu) i(t) = Ae at sin(ωt) Page 21 (23)

Eksponentiaalisesti vaimeneva sini Eksponentiaalinen verhokäyrä i(t) t i(t) = Ae at sin(ωt) Vrt. Tacoma Narrows Bridge Seattlen lähellä; sillan värähtelyä (Youtube, 4 min. 13 s.) on simuloitu RLC-piirillä. Volgogradissa eräs silta suljettiin 22.5.2010 vastaavan värähtelyn takia. Page 22 (23)

Osoitinlaskenta Phasor Calculus Vaihtovirrat ja kompleksiluvut Käsitellään kahdella seuraavalla viikolla. Esitietoja ei vaadita. Yksi kurssin pääaiheista, muista tulla paikalle! Ota laskin mukaan (tavallinen funktiolaskin on hyvä)! Opit rakastetun kompleksiaritmetiikan jo ennen kuin olet läpäissyt kurssin, esim.: 2 1 = 1 + 1 = 1 + j = 2 45 = 2e j π 4 Korota joku tuloksista toiseen, saat "juurenalusen"! Page 23 (23)