SMG-1100 Piirianalyysi I, kesäkurssi, harjoitus 2(3) Tehtävien ratkaisuehdotukset

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

DEE Sähkötekniikan perusteet

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

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

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

SATE1140 Piirianalyysi, osa 1 kevät /9 Laskuharjoitus 4: Kerrostamis- ja silmukkamenetelmä

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

Harjoitus 5 / viikko 7

Luento 4 / 12. SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

Silmukkavirta- ja solmupistemenetelmä. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

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

Jännitteenjaolla, sekä sarjaan- ja rinnankytkennällä saadaan laskettua:

Luento 6. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/6

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Lisämateriaalia: tilayhtälön ratkaisu, linearisointi. Matriisimuuttujan eksponenttifunktio:

VIRTAPIIRILASKUT II Tarkastellaan sinimuotoista vaihtojännitettä ja vaihtovirtaa;

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

SATE.1040 Piirianalyysi IB syksy /8 Laskuharjoitus 1: Ohjatut lähteet

DEE Sähkötekniikan perusteet Tasasähköpiirien lisätehtäviä

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

2. Vastuksen läpi kulkee 50A:n virta, kun siihen vaikuttaa 170V:n jännite. Kuinka suuri resistanssi vastuksessa on?

pienempää, joten vektoreiden välinen kulma voidaan aina rajoittaa välille o. Erikoisesti on

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

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

DEE Sähkötekniikan perusteet

DEE Sähkötekniikan perusteet

Katso Opetus.tv:n video: Kirchhoffin 1. laki

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

SÄHKÖTEKNIIKKA. NBIELS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2015

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

DEE Sähkötekniikan perusteet

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

C 2. + U in C 1. (3 pistettä) ja jännite U C (t), kun kytkin suljetaan ajanhetkellä t = 0 (4 pistettä). Komponenttiarvot ovat

DEE Sähkötekniikan perusteet

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

Théveninin teoreema. Vesa Linja-aho (versio 1.0) R 1 + R 2

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

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Kolmivaihejärjestelmän perusteet. Pekka Rantala

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I. Verkkojen taajuusriippuvuus: suo(dat)timet

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

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

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

RISTIKKO. Määritelmä:

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

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

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

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

Sinin muotoinen signaali

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Kirchhoffin jännitelain perusteella. U ac = U ab +U bc U ac = U ad +U dc. U ac = R 1 I 12 +R 2 I 12 U ac = R 3 I 34 +R 4 I 34, ja I 34 = U ac

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

FYSP1082/3 Vaihtovirtakomponentit

Omnia AMMATTIOPISTO Pynnönen

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

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.

Luento 2. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

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

1. a) Piiri sisältää vain resistiivisiä komponentteja, joten jännitteenjaon tulos on riippumaton taajuudesta.

Sinimuotoinen vaihtosähkö ja siihen liittyviä käsitteitä ja suureita. Sinimuotoisten suureiden esittäminen osoittimilla

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

SUORAN SAUVAN VETO TAI PURISTUS

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

Sähkömagneettinen induktio

ELEKTRONISET JÄRJESTELMÄT, LABORAATIO 1: Oskilloskoopin käyttö vaihtojännitteiden mittaamisessa ja Theveninin lähteen määritys yleismittarilla

S Piirianalyysi 1 2. välikoe

TA00AB71 Tasasähköpiirit (3 op) Syksy 2011 / Luokka AS11

Flash ActionScript osa 2

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kompleksilukujen hyödyntäminen vaihtosähköpiirien

DEE Sähkötekniikan perusteet

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

FC HONKA AKATEMIAN ARVOT

3. Kolmiulotteisten kohteiden esitys ja mallintaminen: jatkoa

R 2. E tot. Lasketaan energialähde kerrallaan 10 Ω:n vastuksen läpi oleva virta.

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

Pieni silmukka-antenni duaalisuus. Ratkaistaan pienen silmukka-antennin kentät v ielä käy ttämällä d uaalisuud en periaatetta.

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Monisilmukkainen vaihtovirtapiiri

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 2 ratkaisuiksi

Magneettikenttä ja sähkökenttä

( ) ( ) 14 HARJOITUSTEHTÄVIÄ SÄHKÖISET PERUSSUUREET SÄHKÖVERKON PIIRIKOMPONENTIT

Transkriptio:

SMG- Piirianalyysi, kesäkurssi, harjitus (3) Tehtävien ratkaisuehdtukset 6 Tarkitus n laskea V ja eveninin ekvivalentin avulla Tämä tarkittaa sitä, että mudstetaan kytkennälle eveninin ekvivalentti vastuksen R napjen suhteen, eli pistetaan R (krvataan avimella haaralla) ja krvataan jäljelle jäävä kytkentä jännitelähteen E ja vastuksen R sarjaankytkennällä eveninin lähdejännite E n tarkasteltavien napjen välinen tyhjäkäyntijännite, ja eveninin resistanssi R n kytkennän kknaisresistanssi navista katsttuna Muutetaan V:n jännitelähde virtalähteeksi 4 Ω:n vastus tulee virtalähteen rinnalle, ja virtalähteen lähdevirraksi saadaan /4 A 5 A Lähdevirran suunta n ylöspäin, kska jännitelähdekin syöttää virtaa ylöspäin (plusnavasta khti miinusnapaa piirin kautta) Yhdistetään sitten rinnakkain levat Ω:n ja 4 Ω:n vastukset Yhdistetyksi reistanssiksi R saadaan 4 R Ω 8 Ω + 4 Myös A:n ja 5 A:n virtalähteet vat rinnakkain Rinnakkain levat virtalähteet vidaan Kirchhffin virtalain perusteella yhdistää summaamalla Kska mlemmat lähteet syöttävät virtaa ylöspäin, yhdistetyn virtalähteen ylöspäin syöttämäksi virraksi saadaan + 5 A 5 A Nyt siis kytkennässä n rinnakkain 5 A:n virtalähde (virta ylöspäin) ja 8 Ω:n vastus Tämän rinnankytkennän kanssa n sarjassa Ω:n vastus Muutetaan virtalähde jännitelähteeksi R tulee jännitelähteen kanssa sarjaan, ja lähdejännitteeksi E saadaan E 5 8 V V Jtta virran suunta säilyy muuttumattmana, lähteen plusnavan n ltava ylhäällä ja miinusnavan alhaalla Nyt R ja Ω vat sarjassa, jten niiden yhdistetyksi resistanssiksi R saadaan R 8 + Ω Ω R Mudstettu eveninin ekvivalentti näyttää seuraavalta Palautetaan sitten R paikalleen ja lasketaan V ja : E E R + R, V R (i) R Ω A, V V (ii) R 6 Ω 75 A, V 45 V (iii) R 5 Ω 48 A, V 7 V (iv) R 3 Ω 3 A, V 9 V (v) R 7 Ω 5 A, V 5 V 64 Mudstetaan kytkennälle eveninin ekvivalentti napjen a ja b suhteen eveninin lähdejännite E n napjen a ja b välinen tyhjäkäyntijännite ja eveninin resistanssi R n kytkennän kknaisresistanssi navista a ja b katsttuna

Käytetään silmukkavirtamenetelmää E :n ratkaisemiseen Sijitetaan myötäpäivään kiertävät silmukkavirrat sekä ylempään ( ) että alempaan ( ) silmukkaan Silmukkavirta n suraan lähdevirta 6 A, ja alemmasta silmukasta saadaan 48 + 6 ( ) + 6 48 A 8 Napjen a ja b väliseksi jännitteeksi E saadaan täten E 5 + 6 5 6 + 6 V 56 V Lasketaan vielä navista a ja b katsttu kytkennän kknaisresistanssi R Pistetaan selvyyden vuksi kytkennän lähteet, eli krvataan virtalähde avimella haaralla ja jännitelähde iksululla Tällöin havaitaan, että Ω ja 6 Ω vat rinnakkain, ja 5 Ω n tähän rinnankytkennän kanssa sarjassa Navista näkyväksi kknaisresistanssiksi saadaan siis R 6 + 5 Ω Ω + 6 67 Nrtnin ekvivalentissa alkuperäinen kytkentä krvataan tietyistä navista katsttuna vastuksen ja virtalähteen rinnankytkennällä Muunnetaan jännitelähde E virtalähteeksi Vastus R tulee virtalähteen rinnalle ja lähdevirraksi saadaan E/R 5/5 A 5 A Lähdevirran suunta n ylöspäin, kska myös jännitelähde E syöttää virtaa ylöspäin Nyt vastukset R ja R vat rinnakkain, jten yhdistetyksi resistanssiksi R saadaan R R R 5 Ω 4 Ω R + R 5 + Virtalähteet ja J vat rinnakkain, jten ne vidaan yhdistää Kirchhffin virtalain njalla Kska mlemmat syöttävät virtaa ylöspäin, yhdistetyn virtalähteen lähdevirraksi J tt saadaan J tt + J 5 + 3 A 8 A Muunnetaan mudstunut virtalähde takaisin jännitelähteeksi, jtta saadaan yhdistettyä vastukset R ja R 3 Virtalähteen J tt rinnalla leva R tulee jännitelähteen E tt kanssa sarjaan, ja lähdejännitteeksi saadaan E tt R J tt 4 8 V 3 V Nyt R ja R 3 vat sarjassa, jten niiden yhdistetyksi resistanssiksi R tt saadaan R tt R + R 3 4 + 4 Ω 8 Ω Nyt n mudstettu kytkennän evenin ekvivalentti Mutta kska kysyttiin Nrtnin ekvivalenttia, muunnetaan jännitelähde vielä virtalähteeksi Nrtnin lähdevirraksi J N ja resistanssiksi R N saadaan siis R Ett 3 Ω, J N Ω 4 A R 8 N Rtt 8 tt

74 Yleisesti sinimutiselle jännitteelle u(t) pätee u ( t ) uˆ sin ( t φ ) +, jssa û n jännitteen huippuarv, φ u n nllavaihekulma, ja n kulmataajuus, jka saadaan taajuudesta f lausekkeella u t 5sin t + π πf Tässä tehtävässä sinimutinen jännite nudattaa lauseketta Jännitteen tehllisarv U rms (rt-mean-square) määritellään lausekkeella u T U [ ] rms u( t) dt T, jssa T n yhteen sinin jaksn kuluva aika sekunneissa Sinin jaks (eli t) n radiaaneissa π, mutta yllä levaan integraaliin tarvitaan siis yhteen jaksn kuluva aika sekunneissa: T π T π Tarkasteltavan jännitteen tehllisarvksi saadaan: π 5sin ( π ) U rms t + dt π π 5 + 4π [ cs( t π )] dt π cs( x) sin ( x) 5 cs( t + π ) dt π cs( x) sin ( x) π / 5 t sin( t + π ) 4π 5 π π 5 π sin( + π ) sin( π ) 4π sin(6 π ) + sin( π ) 4π 5 π 5 5 5 uˆ V (Yleisesti sinimutiselle jännitteelle pätee U rms ) 4π 4 75 Kndensaattri ja käämi vat rinnakkain Tästä vidaan päätellä, että kndensaattrin ja käämin yli n sama jännite Käämin virta i L (t) n annettu, jten lasketaan ensin käämin yli leva jännite u L (t): i ( t) 5sin( t) A L, L u t L L t L ( t ) L di ( t) 5 cs 5 cs V dt Kndensaattrin yli leva jännite u c (t) n siis sama kuin u L (t) Lasketaan kndensaattrin virta i c (t): ( ), c i t C C L t LC ( t ) u ( t) 5 L cs t V c 8 i a) φ c du ( t) ( 5 sin ) 5 sin A dt r φ re r csφ + j sinφ r csφ + jr sinφ 3

b) y y x + jy x + jy arctan x + y arctan x x 3 55 + 7 j 3cs 55 + j3sin 55 + 7 j 77 + 4575 j + 7 j c) d) 85 877 + j4575 87 + j5 ( 3 ) 7 + ( ) arctan ( 3 )( 7 j) 7 3 78 5945 j 9 9 3 78 ( 5945 ) 84 ( 455 9 ) 8 4 9 4

86 5

87 Valitaan kytkennän vasempaan silmukkaan myötäpäivään kiertävä silmukkavirta ja ikeaan silmukkaan vastapäivään kiertävä silmukkavirta Silmukkavirtayhtälöpariksi saadaan tällöin + 3 + j5 + + j5 + j57 + 3 + + j57 Ratkaistaan ratkaisemalla alemmasta yhtälöstä ja sijittamalla ylempään: + j57 ( j ) + j57 + 3 + j57 j57) 4 + 57 + 3 + j57 Yllä levassa yhtälössä murtlauseke n lavennettu nimittäjän kmpleksiknjugaatilla, jtta nimittäjästä saadaan reaalinen ja jaklasku saadaan suritettua Tinen vaihteht lisi llut muuttaa murtlausekkeen termit plaarimutn Jka tapauksessa nyt saadaan: ( j ) ( 4 )( j57) ( + j57)( j57) + 57 + 3 4 j34 8 + j68 + j57 + 3 4 j34 + j34 j 46 4 j34 8 + j68 + j57 + 3 446 + j57 + 9939 j78 988 + j56 cs 3 + jsin 3 + j33 453 + j678 453 + j678 6795 868 j + j33 33 878 Silmukkavirraksi saadaan nyt: ( j ) 7 6 7 6 A 7 6 434 + j 334 + j + j57 + j57 + j57 + j57 334 + j 334 9 + 8 + j + j57 6 449 Kysytty virta n silmukkavirtjen summa: + 5 + j3 A 666 734 655 9 A 88 Ratkaistaan tehtävä slmupistemenetelmällä, mikä tarkittaa sitä, että ensin n selvitettävä kytkennästä löytyvien erisuurten ptentiaalien lukumäärä Kun kytkentä mukataan alla levaan mutn, humataan, että tuntemattmia ptentiaaleja löytyy klme kappaletta 6

Kun kytkennän alareunaan valitaan referenssiptentiaali V, ja kun ptentiaalit V ja V valitaan kuvan mukaisesti, Kirchhffin virtalain mukaisiksi slmupisteyhtälöiksi saadaan: V V V V + + 533 + + j V V 533 j6 4 4 6 4 V V V V 4 8 + + + j V + j + V j4 4 j8 4 4 4 4 ( 4 j8)( 4 + j8) 3 3 + j V V 533 4 6 4 + j V V 533 4 6 4 4 + j8 3 3 V + j + V V + j V 4 4 4 8 4 768 53 V 5V 533 5V + 335 657 V Kysyttiin impedanssin j4 Ω virtaa, jten kiinnstava ptentiaali n V Ratkaistaan V alemmasta yhtälöstä ja sijitetaan ylempään: 335 657 V V 34 657 V sij 768 53 V 5V 533 5 768 53 34 657 V 5V 533 3 44 V 5V 533 j5 V 5V 533 75 j5 V 533 V Täten kysytyksi virraksi saadaan 533 79 8435 536 757 V V 536 757 j4 4 9 63 84 A 8 Vaihtsähköpiirien eveninin ekvivalentti mudstetaan täsmälleen samalla tavalla kuin tasasähköpiireillekin Kska ekvivalentti mudstetaan napjen a ja b suhteen, asetetaan navat tyhjäkäyntiin pistamalla impedanssi Z 4 7

Muunnetaan jännitelähde E virtalähteeksi J mpedanssi Z tulee virtalähteen rinnalle, ja lähdevirraksi J saadaan E 5 5 J A A 43 75964 A Z 5 + j 66 75964 J:n suunta n ylöspäin, kska myös jännitelähde E syöttää psitiivista virtaa ylöspäin mpedanssit Z ja Z vat nyt rinnakkain, jten niiden yhdistetyksi impedanssiksi Z saadaan: Z 9 5 + arctan Z Z 5 + cs 9 + sin 9 + 5 + j Z Z j 43 436 846 436 Ω 5 Virtalähteet ja J vat rinnakkain, ja mlemmat syöttävät virtaa ylöspäin Kirchhffin virtalain perusteella yhdistetyn virtalähteen lähdevirta tt (virta ylöspäin) n tt + J 5 + 43 75964 A 5 + 59 j36 559 j36 A Muunnetaan sitten virtalähde tt jännitelähteeksi E, jtta saadaan yhdistettyä impedanssit Z ja Z 3 Lähdejännitteeksi (plus ylhäällä) saadaan E Z tt 846 436 67 889 5 369 V Z ja Z 3 vat sarjassa, jten niiden yhdistetyksi impedanssiksi Z saadaan Z Z + Z 3 8 j + j 8 Ω Nyt n mudstettu kytkennän eveninin ekvivalentti napjen a ja b suhteen Mititetaan vielä impedanssi Z 4 siten, että sen virta n /8 A: E Z Z E Z4 E Z Z + Z + 4 4 4 j3 8 8 8( 3 j3) 4 j4 Ω 8 8