2. - KTH
Transcription
2. - KTH
Omtentamen IF1330 Ellära tisdagen den 18 augusti 2015 09.00-13.00 Samtidigt går en liknande tentamen för IE1206 – välj rätt tentamen! Allmän information Examinator: William Sandqvist. Ansvarig lärare: William Sandqvist, tel 08-790 4487 (Campus Kista), Tentamensuppgifterna behöver inte återlämnas när du lämnar in din skrivning. Hjälpmedel: Räknare/Grafräknare. Kursens formelblad har bifogats tentamen. Information om rättning och betyg Motivera alla svar. Tabeller och beräkningar som använts ska finnas med i lösningarna i läsbar form. Om svaret på en fråga är "42" så måste du också tala om varför. Ofullständigt motiverade svar ger inte full poäng! Felaktiga prefix och felaktiga tio-potenser ger poängavdrag. Tentamen kan ge maximalt 30 p, godkändgränsen går vid 15 p. 0– F 15 – E 18 – D 21 – C 24 – B Resultatet meddelas senast tisdag den 8 september. 1 27– A 1. 2p R1 = 21Ω, R2 = 28Ω, R3 = 40Ω, R4 = 3Ω, R5 = 8Ω, R6 = 56Ω. Ställ upp ett uttryck för REQ . Beräkna ersättningsresistansen REQ . REQ = ? [Ω] 2. 2p Använd Kirchhoffs lagar för att ställa upp och beräkna de tre strömmarnas belopp och riktning (tecken). ( Uppgiften kan ge delpoäng även om ekvationssystemet inte lösts ). E1 = 28V E2 = 14V E3 = 8V E4 = 32V R1 = 2Ω R2 = 1Ω R3 = 12Ω R4 = 4Ω I1 = ? [A] I2 = ? [A] I3 = ? [A] 3. 6p Ett nät innehåller spänningskällorna E1 (14V) och E2 (58V) med resistorerna R1 (7k) och R3 (8k) samt strömkällorna I1 (10mA) och I2 (1mA) med resistorerna R2 (42k) och R4 (84k). a) Ta fram den ekvivalenta Thévenin-tvåpolen mellan anslutningarna A-B, E0 (även tecknet) och RI. E0 = ? [V] RI = ? [kΩ] b) Ta fram den ekvivalenta Norton-tvåpolen mellan anslutningarna A-B, IK (även strömriktningen) och RI. IK = ? [mA] RI = ? [kΩ] 2 4. 4p En likspänningskälla E = 12V matar ett nät med en spole L= 30 mH och två resistorer R = 1000Ω och RL = 10Ω. Spänningskällan har varit ansluten lång tid tills den vid tiden t = 0 bryts från kretsen. a) Beräkna de tre strömmarna i iLR och iR ögonblicket efter brytningen. [mA] b) Beräkna de tre spänningarna uR uL och uRL ögonblicket efter brytningen. [V] c) Beräkna hur lång tid (efter t = 0) det tar för spänningen uL att sjunka till beloppet 6V. t = ? [ms], |uL| = 6. 5. 4p En växelspänning E med frekvensen f = 2 kHz matar ett nät med en parallell kapacitans C = 0,64 µF och en induktans L = 8,8 mH i serie med en resistans R = 100 Ω. Man mäter spänningen UR = 5 V. a) Beräkna ILR [mA] b) Beräkna E [V] c) Beräkna IC [mA] d) Beräkna I [mA] 6. 2p En induktiv växelströmslast är ansluten till elnätet 230V, 50Hz. Lasten förbrukar P = 2200W och har effektfaktorn cosϕ = 0,75 (ind). Man har en 10A säkring (F), men strömmen till lasten är större än 10A så säkringen utlöser. Man inför därför en faskompenseringskondensator C för att minska strömmen till exakt 10A så att säkringen håller. Vilket värde ska kondensatorn C ha? (Uppgiften löses lämpligen med strömkomposanter). C = ? [µF] 3 7. 4p En störskydds drossel, Common mode choke, är en Man mäter lindningsinduktanserna komponent som ska hindra elektriska störningar att seriekopplade LDM = 2,2 mH och anti ta sig in i datorutrustningar. Det är en seriekopplade LX = 217,8 mH. transformator med två identiska magnetiskt kopplade lindningar. a) Beräkna Spolarnas induktans L [mH] och ömsinduktans M [mH] utifrån mätvärdena i figuren ovan till höger. b) Beräkna transformatorns kopplingsfaktor k [%]. c) Beräkna LCM [mH], den induktans en elektrisk störning möter. Beräkna kvoten LCM/LDM (som ett mått på störningsundertryckningsförmågan). 8. 6p Figuren visar ett enkelt filter med R och L R. a) Härled filtrets komplexa överföringsfunktion a + jb U 2 /U 1 . Svara på formen c + jd b) Vid en viss vinkelfrekvens ω 0 kommer nämnarens c = d. Ta fram ett uttryck för denna vinkelfrekvens ω0 = f ( R, L) . Vilket belopp och fasvinkel har då överföringsfunktionen? c) Vad blir överföringsfunktionens belopp vid mycket låga frekvenser, ω ≈ 0 , vilket värde har överföringsfunktionens fas vid mycket låga frekvenser? d) Vilket värde har överföringsfunktionens belopp vid mycket höga frekvenser, ω ≈ ∞ , vilket värde har överföringsfunktionens fas vid mycket höga frekvenser? Bara siffersvar räcker inte – redovisa algebraiskt. a) U2 = ? b) ω 0 = f ( R, L ) ω = ω 0 ⇒ U1 c) ω ≈ 0 ⇒ U U2 = ? arg 2 = ? U1 U1 U U2 = ? arg 2 = ? d ) ω ≈ ∞ ⇒ U1 U1 U U2 = ? arg 2 = ? U1 U1 Lycka till! 4 Formelblad vid tentamen i Ellära IF1330 Resistans l R=ρ a Resistans R , resistivitet ρ (obs! [Ωmm2/m]) R2 = R1 + R1 ⋅ α( t 2 − t1 ) Resistansens temperaturberoende. R2 = varm resistans, R1 = kall resistans α = temperaturkoefficient Kretsanalys U = I⋅R I = G⋅U RERS = R1 + R2 + R3 + … 1 1 1 1 = + + + ... RERS R1 R2 R3 R1 || R2 = R1 ⋅ R2 R1 + R2 Specialfall två resistorer i parallell. Kirchoffs strömlag. En nod är en knutpunkt. Strömmar in till noden tas positiva och strömmar ut från noden negativa. Kirchoffs spänningslag. En slinga är en sluten strömkrets. Resistorns plustecken är där strömmen går in. Spänningsdelningsformeln. Delspänningen över R1. ∑I = 0 Nod ∑U = 0 Slinga U1 = E I1 = I R1 R1 + R2 Strömgreningsformeln. Delströmmen genom R1. R2 R1 + R2 P =U ⋅I P= OHM’s lag. R resistans G konduktans. Seriekrets. Parallellkrets. U2 R P = I2 ⋅R Likströmseffekt i resistor. Elektriska fält F =k Q1 ⋅ Q2 r2 E=k a ε = εr ⋅ε0 d Q U U= E= C d 2 C ⋅U We = 2 C =ε Q1 ⋅ 1 r2 Coulombs lag kraftverkan F mellan laddningar. Elektriskt fält E kraft på enhetsladdning. Konstanten k = 9⋅109. Plattkondensator. ε kapacitivitet (polariserbarhet). ε0 för luft/vacuum. Kondensatorns spänning U laddning Q och elektriskt fält E. Elektrostatisk energi. 5 Magnetiska fält Φ a Fm = N⋅I 1 l µ = µr ⋅ µ0 Rµ = ⋅ µ a Fm = Φ⋅Rm NI H= l B = f(H) B = µ⋅H F = B⋅I⋅l dΦ e=N dt di u=L dt L⋅I2 Wm = 2 Flöde Φ (antal kraftlinjer) flödestäthet B. B= ”mmk” Magnetomotorisk kraft, magnetisering. Reluktans Rm magnetiskt motstånd. µ permabilitet, µ0 = 4π⋅10-7 för vacuum. ( µr kallas även km ) OHM’s lag för magnetiska kretsen. Fältstyrkan H. BH-kurvan. Motorprincipen. Induktionslagen. (Lenz lag, e är motverkande). Självinduktion. Induktans L. Elektromagnetisk energi. Transienter x(τ ) = x∞ − ( x∞ − x0 )e t =t ⋅ ln − x0 = storhetens begynnelsevärde x∞ = storhetens värde efter lång tid τ = förloppets tidkonstant τ ”hela swinget” genom ”resten” " hela" " resten" Kondensator: τ = RC Spole: τ = Periodiska funktioner x(t ) = Xˆ sin(ω ⋅ t + ϕ ) ω = 2π ⋅ f T X med Snabbformel. τ 1 = X = ∫ x(t )dt T 0 T X RMS = X = ∫x 2 (t )dt 0 jω-räkning Z = R + jX 1 Y = = G + jB Z X L = ωL 1 XC = − ωC T L R Tidkonstant τ. Sinusfunktion med fasvinkel ϕ. Tidsmedelvärde under en period. Alla sinusfunktioner har medelvärdet 0. Effektivvärde. För sinus gäller: X̂ X = 2 Impedans Z, resistans R och reaktans X. Admittans Y, konduktans G och suceptans B. Induktiv reaktans. Kapacitiv reaktans. 6 Växelströmseffekt P = UI cos ϕ Q = UI sin ϕ I= Aktiv effekt P, reaktiv effekt Q och skembar effekt S. Effekt-triangel. Q från kondensatorer summeras med negativt tecken. Aktiv IP och reaktiv IQ strömkomposant. S 2 = (∑ P ) + (∑ Q ) 2 S 2 = P2 + Q2 I P = I cos ϕ S = UI 2 I Q = I sin ϕ (∑ I ) + (∑ I ) 2 2 P Q tan ϕ = ∑I ∑I Q P Resonanskretsar 1 f0 = 2π LC 2πf 0 L R Q= Q= r 2πf 0 L R = Q2 r Resonansfrekvensformeln. Definition av spolens Q-värde med serieresistans r, samt alternativ definition med parallellresistans R. Omräkning mellan serieresistans r och parallellresistans R. (tillåtet om Q > 10) Bandbredd BW [Hz]. ∆f 1 = f0 Q BW [Hz] = ∆f IQ från kondensatorer summeras med negativt tecken. Effektanpassning RL = RI Effektanpassning. Effektanpassning komplex last. ZL = ZI * RL = Z I Effektanpassning. Komplex tvåpol med resistiv last. Ideal transformator P1 = P2 U 1 N1 = U2 N2 Förlustfri transformator. Spänningsomsättning. Strömomsättning. I1 N 2 = I 2 N1 Z 1←2 N = 1 N2 Överräkning av impedans. 2 ⋅ Z 2 Induktiv koppling Kopplingsfaktor k ömsinduktans M k =1 100% koppling k = 0 oberoende LSER = L1 + L2 ± 2 M LPAR = L1 ⋅ L2 − M 2 L1 + L2 ± 2 M Seriekoppling (”-” för motverkande) Parallellkoppling (”+” för antiparallella). 7