Løsningsforslag for obligatorisk øving 1
Transcription
Løsningsforslag for obligatorisk øving 1
TFY4185 Måleteknikk Institutt for fysikk Løsningsforslag for obligatorisk øving 1 Oppgave 1. a. Vi starter med å angi strømmen i alle grener. For Wheatstone-brua trenger vi 6 ukjente strømmer I1 − I6 , som angitt på figuren under. I1 ... ...1 ............... ........ ...... ........ ............... .. .. 6 I6 + VS − 6 ? t I5 R - - I3 t Kretsen har 4 knutepunkt og dermed gir Kirchhoffs strømlov 3 uavhengige likninger: R ... ...2 ............... ........ ...... ........ ............... .. .. .... R .... ............... ....... ..5.... ....... ............... ... ... R3 I2- ... ... .............. ........ ...... ........ ............... .. .. - t t = I3 + I5 (1) = I2 + I5 = I1 + I2 (2) (3) Kirchhoffs spenningslov gir 3 uavhengige likninger for de angitte sløyfene: ... ... .............. ........ ...... ........ ............... .. .. I4 I1 I4 I6 R4 0 = VS − R1 I1 − R3 I3 0 = −R4 I4 + R3 I3 − R5 I5 (4) (5) 0 (6) = R5 I5 + R1 I1 − R2 I2 Vi har nå fått 6 likninger med 6 ukjente, men det er mye jobb å regne ut determinanten for et slikt system. Vi ønsker derfor å redusere antall ukjente ved å substituere bort I1 , I4 og I6 . Det er viktig at I5 fremdeles er en av de ukjente siden det er denne strømmen vi er interessert i. Likn. (1)-(3) innsatt i (4)-(6) gir: 0 = VS − R1 (I3 + I5 ) − R3 I3 = VS − (R1 + R3 )I3 − R1 I5 (7) 0 0 = −R4 (I2 + I5 ) + R3 I3 − R5 I5 = −R4 I2 + R3 I3 − (R4 + R5 )I5 = R5 I5 + R1 (I3 + I5 ) − R2 I2 = −R2 I2 + R1 I3 + (R1 + R5 )I5 (8) (9) Innsatt følgende verdier R1 = 3 kΩ, R2 = 4 kΩ, R3 = 10 kΩ, R4 = 2 kΩ, R5 = 5 kΩ og VS = 23 V gir: 0 = 23 V − 13 kΩ I3 − 3 kΩ I5 0 = −2 kΩ I2 + 10 kΩ I3 − 7 kΩ I5 (10) (11) 0 (12) = −4 kΩ I2 + 3 kΩ I3 + 8 kΩ I5 Vi skriver om likningssettet slik at det kommer på standard form med konstante ledd til høyre og ukjente til venstre: −13 kΩ I3 − 3 kΩ I5 −2 kΩ I2 + 10 kΩ I3 − 7 kΩ I5 −4 kΩ I2 + 3 kΩ I3 + 8 kΩ I5 Determinanten, D, til dette likningssettet er: 0 −13 · 103 −3 · 103 D = −2 · 103 10 · 103 −7 · 103 −4 · 103 3 · 103 8 · 103 = = −23 V = 0 = 0 (13) (14) (15) 0 + 13 · 103 (−2 · 103 · 8 · 103 − 7 · 103 · 4 · 103 ) − 3 · 103 (−2 · 103 · 3 · 103 + 4 · 103 · 10 · 103 ) Ω3 = −6, 74 · 1011 Ω3 (16) Determinanten, D3 , finner vi ved å erstatte kolonne 3 (med koeffisientene til den ukjente strømmen I5 ) med de konstante leddene på høyre side i likningsettet: 0 −13 · 103 −23 0 = 0 + 0 − 23(−2 · 103 · 3 · 103 + 4 · 103 · 10 · 103 ) Ω2 V D3 = −2 · 103 10 · 103 3 −4 · 103 3 · 10 0 = −7, 82 · 108 Ω2 V (17) Cramers teorem gir: I5 = −7, 82 · 108 D3 = VΩ−1 = 1, 16 mA D −6, 74 · 1011 Retningen på I5 er gitt på figuren. TFY4185, Løsning-Øv1 – s.1 (18) 2b. For å finne strømmen I5 deler vi opp kretsen i to deler: lastmotstanden R5 og en Thévenin-ekvivalent for resten av kretsen, som vist under. Strømmen I5 er gitt som: VTh I5 = (19) RTh + R5 t ... R...1 ............... ....... ...... ....... ............... ... ... A t + VS − ... R...2 ............... ....... ...... ....... ............... ... ... ... .. ... .. ... .. ... .. ... .. .. .. .. .... .. .. .. .. .... .... ......... .... .... .... .... .... .... .. ... .. .. .... ....... .. .. .. . . . R . . . . ... ... . . . . 5.. ... ........... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....... ....... .. . . ... .. . . Last ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..... .. .... .... .... ... ... .... t .... .... ............... ....... ...... ....... ............... ... ... R3 ................................ RTh ... + VTh ... − B t I5 sA .. ... ....... . . R5 ........ .... .. sB .... .... ............... ....... ...... ....... ............... ... ... R4 Thévenin-ekvivalent Generelt har vi at RTh = Rin når alle kilder er fjernet, dvs når spenningskildene er kortsluttet og strømkildene er avbrutt. Kretsen er vist under (krets A). Vi tegner kretsen på en annen måte (krets B) slik at det blir enkelt å finne RTh . s - s Fra krets B ser vi at: A B R R Rin .....................1........... s .....................2........... R2 R4 R1 R3 ... ... ... ... + RTh = Rin = .... .... .... .... R + R R . . . . . . . . 1 3 2 + R4 Bs sA R1.............. R3.............. R2.............. R4.............. .... .... .... .... 142 30 8 .. .. .. .. = kΩ = + kΩ (20) R R s s .....................3........... s .....................4........... 13 6 39 krets B krets A Generelt er VTh = VOC , dvs spenningen over porten AB når kretsen er avbrutt. Kretsen er vist under. Vi ser enkelt at spenningen VTh er gitt som: VTh = VOC = R2 IB − R1 IA I VS ... . + ... − . s IA IB − VOC + R1 ..................................... sA R3 ..................................... R2 ..................................... s Bs R4 ..................................... (21) Vi innfører at RA = R1 +R3 og RB = R2 +R4 . Uttrykkene for IA og IB er gitt av likningen for strømdeling i forelesningsnotatene (s 21): I = IA = IB = (RA + RB )VS VS = RA ||RB RA RB IRB VS = RA + RB RA IRA VS = RA + RB RB (22) (23) Likn. (22)-(23) innsatt i (21) gir VTh 391 R2 VS R1 VS 4 3 · 23 V = = R2 IB − R1 IA = − = − V RB RA 6 13 39 (24) Verdiene for VTh og RTh innsatt i likn. (19) gir: I5 = VTh = RTh + R5 391 39 142 39 + 5 mA = 1, 16 mA Retningen på I5 er gitt på figuren. TFY4185, Løsning-Øv1 – s.2 (25) Oppgave 2. La oss begynne med å regne ut Thevenin-ekvivalenten. Resistansen RT er den effektive motstanden mellom nodene A og B (dvs. at man ser bort fra alle strøm- og spenningskilder). Fra figuren i oppgaveteksten ser vi at vi da kan representere kretsen på følgende vis: Her er R̃ = R2 + R4 k R1 , samt R = R3 + R5 k R̃. Setter inn tallene som er R1 R2 R3 A R4 R5 B R3 A A R5 R̃ R B B oppgitt og får R = RT = 28 Ω. Thevenin-spenningen VT er definert som potensialforskjellen mellom punktene A og B, når det ikke går noen strøm mellom de. Dermed vil det ikke gå noen strøm gjennom R3 , og vi kan forenkle kretsen til Da ser vi at VT = I2 R5 , R1 12 V R2 R4 R5 I1 I2 slik at vi må finne I2 . Dette gjør vi ved å sette bruke Kirchoffs lover for I1 og I2 -’loopen’, som gir likningene: V = I1 R1 + (I1 − I2 )R4 , 0 = I2 (R2 + R5 ) + (I2 − I1 )R4 . (26) (27) Fra dette finner vi at I2 = 2/3 A, slik at VT = 2 V. Dermed kan vi umiddelbart regne ut Norton-strømmen IN = VT /RT = 0.25 A. Eventuelt kunne vi regnet ut den Norton-ekvivalente kretsen først. Norton-strømmen er definert som den strømmen som går mellom A og B når vi kortslutter de. Dermed måtte vi ha løst ut IN fra følgende likningssystem: V = I2 R1 + (I2 − I1 )R4 , 0 = I1 R2 + (I1 − IN )R5 + (I1 − I2 )R4 , 0 = IN R3 + (IN − I1 )R5 . (28) (29) (30) Denne fremgangsmåten gir naturligvis samme svar som vi fant ved å regne ut Thevenin-ekvivalenten først, nemlig R1 R2 R4 12 V I1 R3 R5 IN I2 IN = 0.25 A. Dermed har vi funnet at Norton- og Thevenin-ekvivalentene til kretsen er som følger: RT A VT VT = 2 V RT = 8 Ω IN A RN B TFY4185, Løsning-Øv1 – s.3 B IN = 0.25 A RN = 8 Ω Oppgave 3. Vi ønsker å erstatte samtlige motstander i problemet med en effektiv motstand, akkurat som når vi lager Theveninog Norton-ekvivalenter. Fra figuren i oppgaveteksten ser man at R2 og R4 kan slås sammen til R̃ = R2 + R4 . Siden R3 og R̃ er parallell-koblede, er den totale motstanden fra disse lik R = R3 k R̃ = (1/R3 + 1/R̃)−1 . Til slutt legger vi sammen R1 og R som er koblede i serie, og får dermed at Rtotal = R1 + R3 k (R2 + R4 ), (31) hvilket gir Rtotal = 15 Ω når vi setter inn tall. R1 R2 R3 R4 R1 R1 R3 R R̃ Oppgave 4. Vi starter med å angi Maxwells sirkulerende strømmer I1 − I3 i de 3 sløyfene i kretsen under. Vi setter opp de 3 sløyfelikningene. 6I1 + VS − s Sløyfe 1: s I2 .....R5....... . . ............ . .. . .. R..1 ............. ....... ...... ....... .............. .. .. ? I 5 .. R..2 ............. ....... ...... ....... .............. .. .. ........ ................... . . I3 .. .. .............. ....... ...... ....... .............. .. .. R3 - s .. .. .............. ....... ...... ....... .............. .. .. R4 0 = VS − (R1 + R3 )I1 − R1 I2 + R3 I3 0 = 23 V − 13 kΩ I1 − 3 kΩ I2 + 10 kΩ I3 s (32) Sløyfe 2: 0 = −(R1 + R2 + R5 )I2 − R1 I1 − R5 I3 0 = −12 kΩ I2 − 3 kΩ I1 − 5 kΩ I3 (33) Sløyfe 3: 0 = −(R3 + R4 + R5 )I3 + R3 I1 − R5 I2 0 = −17 kΩ I3 + 10 kΩ I1 − 5 kΩ I2 (34) Strømmen gjennom R5 -motstanden er gitt av: I5 = I2 + I3 . Vi starter med å substituere bort I1 fra likningssettet over. Omskriving av likn. (34) gir: 5 kΩ I2 + 17 kΩ I3 (35) I1 = 10 kΩ Likn. (35) innsatt i (32) gir: 13 0 = 23 V − (5 kΩ I2 + 17 kΩ I3 ) − 3 kΩ I2 + 10 kΩ I3 10 0 = 230 V − 13(5 kΩ I2 + 17 kΩ I3 ) − 30 kΩ I2 + 100 kΩ I3 0 = 230 V − 95 kΩ I2 − 121 kΩ I3 (36) Likn. (35) innsatt i (33) gir: 3 (5 kΩ I2 + 17 kΩ I3 ) − 5 kΩ I3 10 0 = −120 kΩ I2 − 3(5 kΩ I2 + 17 kΩ I3 ) − 50 kΩ I3 0 = −12 kΩ I2 − 0 = −135 kΩ I2 − 101 kΩ I3 (37) ⇓ 101 I3 (38) I2 = − 135 Likn. (36) og (37) innholder kun de to ukjente strømmene, I2 og I3 , som vi begge trenger. Likn. (38) innsatt i (36) TFY4185, Løsning-Øv1 – s.4 gir: 95 · 101 kΩ I3 − 121 kΩ I3 = 230 V − 49, 926I3 135 I3 = 4, 607 mA 0 = 230 V + ⇒ (39) Likn. (38) og (39) gir: I2 = − 101 · 4, 607 mA = −3, 447 mA 135 (40) Strømmen gjennom R5 -motstanden er: I5 = I2 + I3 = −3, 447 mA + 4, 607 mA = 1, 16 mA Retningen på I5 er gitt på figuren. (41) Oppgave 5. Vi ønsker å lage en spenningsdeler med utgangsspenning på V = 15 V samt maksimal strøm I = 250 mA på en måte som gjør at det finnes fire punkter hvor man kan hente ut 1 V, 2 V, 5 V og 10 V, henholdsvis. Dette er vist i figuren under. 0V 15 V I = 250 mA R1 A R5 R4 R3 R2 C B D Da trenger vi å spesifisere motstandene Ri slik at spenningsfallet ∆Vi over motstand nr. i blir som ønsket. For eksempel så ønsker vi et spenningsfall på 5 V over R5 , siden vi vil hente ut 10 V fra punktet D. Med en strøm på 250 mA, så trenger vi da en motstand med 5V = 20 Ω. (42) R5 = ∆V5 /I = 0.25A Fra punktet D til punktet C ønsker vi også et spenningsfall på 5 V, slik at R4 = 20 Ω. Fra C til B skal vi ha et spenningsfall på 3 V, hvilket gir R3 = 12 Ω. Spenningsfallene over både R1 og R2 skal være på 1 V, hvilket gir R1 = R2 = 4 Ω. Oppgave 6. a. Superposisjonsteoremet følger av den lineære karakteristikken hos alle komponenter (Ohms lov). b. For denne kretsen har vi 1 spenningskilde og 3 strømkilder, og vi trenger å beregne I5 for tilfelle I (kun IS1 6= 0), tilfelle II (kun IS2 6= 0), tilfelle III (kun IS3 6= 0) og tilfelle IV (kun VS 6= 0). For å forenkle likningene bruker vi at R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R. Husk at for å finne bidraget fra en enkelt strøm- eller spenningskilde, så skal alle spenningskilder settes til 0 V og alle strømkilder skal erstattes med et tomrom (altså brudd i ledningen, slik at det ikke går noen strøm gjennom den). Tilfelle I (når IS1 6= 0): I4 R4 R1 R5 IS1 R6 I5 Den resulterende kretsen blir som vist ovenfor når kun IS1 blir tatt hensyn til. Da ser vi at ved å bruke Kirchhoffs lover finner man likningene IS1 = I4 − I5 , (43) −I5 (R1 + R5 ) = I4 R4 . (44) IS1 R4 . R4 + R1 + R5 (45) Ved å løse ut for I5 finner vi at I5 = − TFY4185, Løsning-Øv1 – s.5 Tilfelle II (når V IS2 6= 0): IS2 R1 R4 R2 R5 I5 Her ser man umiddelbart at I5 = 0, siden IS2 kun vil sirkulere i den lille løkken øverst til høyre i figuren. Tilfelle III (når IS3 6= 0): R2 I4 IS3 R4 R1 R3 R5 R6 I5 Her finner vi likningene IS3 = I4 − I5 , I4 R4 = −I5 (R1 + R5 ), (46) (47) basert på strømbevarelse og prinsippet om totalt null spenningsfall i en lukket sløyfe. Dermed løser vi ut for I5 og finner IS3 R4 . (48) I5 = − R1 + R4 + R5 Tilfelle IV (når VS1 6= 0): R1 + R4 VS R5 − I5 Den effektive kretsen i dette tilfellet er vist ovenfor og gir at VS1 . I5 = R1 + R4 + R5 (49) Totalt for tilfelle I-IV: Vi adderer strømmen I5 for de tilfelle I-IV) og får at den totale strømmen I5 er lik: I5 = VS − R4 (IS1 + IS3 ) . R1 + R4 + R5 TFY4185, Løsning-Øv1 – s.6 (50)