Elektrotechnika példatár

Átírás

1 Elektrotechnika példatár Langer Ingrid

2 Tartalomjegyzék Előszó Egyenáramú hálózatok lapfogalmak Példák passzív hálózatok eredő ellenállásának kiszámítására Impedanciahű átalakítások feszültség és az áramosztás törvénye Thévenin és a Norton tétel Módszerek több generátort és fogyasztót tartalmazó elágazó hálózatok ágaiban folyó áramok kiszámítására Váltakozó áramú hálózatok lapfogalmak Kidolgozott és gyakorló példák a váltakozó áramú áramkörök számításához

3 Előszó példatár az Óbudai Egyetem ánki Donát Gépész és iztonságtechnikai mérnöki Karán a Mechatronikai mérnök Sc képzésen oktatott Elektrotechnika tárgy egyenáramú és váltakozó áramú hálózatok számításával kapcsolatos anyagának elsajátításához szeretne segítséget nyújtani. tantermi gyakorlatok nem mindig elegendőek ahhoz, hogy a hallgatók a számítási módszereket első hallásra megértsék, illetve levelező tagozaton idő hiányában a részletes magyarázatok gyakran elmaradnak. példatár ezért sok, részletesen kidolgozott feladatot is tartalmaz, amelyben a számítás menetét lépésről lépésre követni lehet, de minden témakörhöz tartoznak olyan gyakorló feladatok is, amelyeket önállóan kell megoldani, segítségként csak a végeredmény van megadva. Remélem, hasznos segítség lesz a zárthelyi dolgozatokra és a vizsgára való felkészülésben augusztus szerző 2

4 1. EGYENÁRMÚ HÁLÓZTOK 1.1. lapfogalmak Villamos áram (jele: I) Egységnyi felületen egységnyi idő alatt átahaladó töltésmennyiséget áramnak nevezzük: ahol Q töltésmennyiség [C] I = dq dt [] t idő [s] Villamos feszültség (jele: U) tér két pontja közötti potenciálkülönbség. Elektromos potenciál: egységnyi töltésnek a tér egyik pontjából a másikba mozgatásához szükséges energia: W = Q Edl = Q Edl = Q U U = Edl = W Q [ J C = V] ahol W Q töltésmennyiség pontból pontba mozgatásához szükséges munka [J] E elektromos térerősség [N/C] Ellenállás (jele: R) Fém vezető ellenállása: R = ρ l [Ω] ahol ρ a fajlagos ellenállás [ Ω mm2 m ] l a vezető hossza [m] a vezet keresztmetszete [mm 2 ] 3

5 ( fajlagos ellenállás hőmérsékletfüggő, a hőmérséklet növekedésével a fém vezetők ellenállása nő.) Villamos áramkörökben az ellenállások árama és feszültsége közötti kapcsolatot az Ohm-törvény írja le: R = U I (z ellenállás reciprokát vezetőképességnek hívjuk, jele G, mértékegysége S (Siemens) G = 1 R ) Villamos áramkörök z egyenáramú villamos áramkörök aktív elemekből, azaz energiaforrásokból (feszültség vagy áramgenerátorokból), passzív elemekből, azaz fogyasztókból (ellenállásokból) és az őket összekötő vezetékekből állnak. generátorok villamos energia előállítására alkalmas készülékek. (Villamos energiát számos energiafajta átalakításával előállítható, pl. vegyi energia (galvánelemek, akkumulátorok), fényenergia (napelemek), mechanikai energia (egyen- és váltakozó áramú generátorok) átalakításával. Ideális feszültséggenerátor: Kapcsai között a feszültség a rá kapcsolt fogyasztóktól függetlenül állandó. Ideális áramgenerátor: Árama a rá kapcsolt fogyasztóktól függetlenül állandó. Jelölések: + + U g I g - - Ideális feszültséggenerátor Ideális áramgenerátor 1-1. ábra Kirchhoff törvények a) Kirchhoff csomóponti törvénye: Csomópont definíciója a villamos hálózatban: Kettőnél több vezeték találkozási pontja. Villamos hálózat csomópontjába befolyó és kifolyó áramok előjeles összege nulla. 4

6 I 1 I 2 I 4 I 1 I 2 I 3 + I 4 I 5 = 0 n I 5 I i = 0 I 3 i= ábra b) Kirchhoff hurok törvénye: Hurok definíciója a villamos hálózatban: hálózat azon ágainak összessége, melyeken végighaladva úgy érhetünk vissza a kiindulási pontba, hogy minden ágon csak egyszer haladtunk végig. Villamos hálózatban bármely zárt hurokban a generátorok és fogyasztók feszültségeinek előjeles összege nulla. U g2 I 2 U R2 U g1 I 1 U R3 n U i = 0 U R1 U R4 I4 I 3 i=1 U g1 U g2 + U R2 + U R3 U R4 U R1 = ábra Ellenállások kapcsolása a. Ellenállások soros kapcsolása R n = R e R e = R n = R i n i= ábra 5

7 b. Ellenállások párhuzamos kapcsolása 1 n R n = R e R e = R n = 1 R i i=1 1 1 R e = 1 R R = n 1 2 R i=1 n R i jelölésben: R e =.. R n (z -szel jelölt művelet elnevezése replusz, jelentése: reciprok értékek összegének a reciproka) 1-5. ábra 1.2. Példák passzív hálózatok eredő ellenállásának kiszámítására és pontok között számítsa ki az eredő ellenállást! R 7 R 6 R 8 =4Ω =3Ω =3,6Ω =4Ω =1,8 Ω R 6 =3 Ω R 7 =2 Ω R 8 =3 Ω 1-6. ábra megoldás menete: Keressünk sorba vagy párhuzamosan kapcsolt ellenállásokat és cseréljük ki ezek eredőjével az eredeti ellenállásokat! 6

8 R 7 R 8 R R R R 78 = R 7 R 8 = R 7 R 8 R 7 + R 8 = = 1,2Ω R = + R 6 + R 78 = 1, ,2 = 6 Ω R ábra R = 678 = = 2,4Ω = = 3,6 + 2,4 = 6 Ω = = = 2 Ω R = = = = 6 Ω 1-8. ábra Számítsa ki az ellenállás hálózat eredőjét és pontok között! 7

9 F C R 6 D R 7 E =1,8Ω =2Ω =3Ω =7Ω =3 Ω R 6 =6 Ω R 7 =2 Ω 1-9. ábra Megoldás: C-D pontok és a -E pontok egy-egy ellenállás nélküli vezetékdarabbal vannak összekötve (rövidre vannak zárva), ezért a két csomópont összevonható. Így látható, hogy az R 6 és R 7 ellenállások a -D pontok között párhuzamosan vannak kapcsolva. Ugyanez igaz az és ellenállásokra a D-F pontok között: R 6 R ábra z és az 3 ellenállások egymással sorban, ketten együtt az -gyel párhuzamosan vannak kapcsolva. Eredőjük pedig az 67 -tel sorba kapcsolódik. Így között az eredő ellenállás: R = { [( ) + ]} + ( R 6 R 7 ) R = {7 [(2 3) + 1,8]} + (3 6 2) = [7 ( ,8)] + ( ) = = 3,1 Ω és pontok között számítsa ki az eredő ellenállást! 8

10 =8 Ω =20Ω =30Ω ábra Megoldás: Vegyük észre, hogy a rövidre záró vezetékek miatt mindhárom ellenállás és pontok közé van bekötve, vagyis a három ellenállás és pontok között párhuzamosan kapcsolódik egymáshoz. kapcsolás átrajzolva: R = R = = 4,8Ω ábra és pontok között számítsa ki az eredő ellenállást! =20 Ω R 6 =40 Ω =30 Ω =10 Ω =60 Ω R 7 R 6 =70 Ω R 7 =30 Ω R 8 R 8 =20 Ω ábra (Megoldás: R = ({[( + ) ] + } R 8 ) + (R 6 R 7 ) = 31Ω 9

11 Számítsa ki az ellenállás hálózat eredőjét és pont között! = 1 Ω = 6Ω = 3 Ω = 3 Ω R 7 = 5 Ω R 6 = 2Ω R 7 = 4 Ω R ábra (Megoldás: R = + + ( { + [ (R 6 + R 7 )]}) = 9,1Ω) Számítsa ki és pont között az eredő ellenállást! = 2 Ω = 4Ω = 6 Ω = 3 Ω R 6 = 5 Ω R 6 = 7 Ω ábra (Megoldás: R = {[( + ) ] } + ( R 6 ) = 3,975Ω) Számítsa ki és pont között az eredő ellenállást! 10

12 R 8 R 7 R 6 =10 Ω =30 Ω =10 Ω =12 Ω =80 Ω R 6 =40 Ω R 7 =60 Ω R 8 =60 Ω ábra (Megoldás: R = [({[( + ) ] + } ) + (R 6 R 7 )] R 8 = 24Ω Számítsa ki és pont között az eredő ellenállást! =6 Ω =30Ω =30Ω =30 Ω =90 Ω ábra (Megoldás: R = = 3,6Ω) Számítsa ki és pont között az eredő ellenállást! R 6 R7 R 9 0 R 8 =15 Ω =25 Ω =20 Ω =30 Ω =60 Ω R 6 =40 Ω R 7 =60 Ω R 8 =16 Ω R 9 =40 Ω 0 =30 Ω ábra 11

13 (Megoldás: R = [( + ) ] + {[(R 6 R 7 ) + R 8 ] R 9 0 } = 20Ω) z ábrán az emberi test ellenállásának egyszerűsített modellje látható. Számítsa ki 150 V egyenfeszültség hatására a testen átfolyó áramot, ha a feszültség a(z) a) - b) -C c) -E d) -E pontok között hat. R 6 R R 7 5 D R 8 R 9 0 E C =40 Ω =35 Ω =35 Ω =120 Ω =120 Ω R 6 =480 Ω R 7 =460 Ω R 8 =20 Ω R 9 =800 Ω 0 =850 Ω ábra (Megoldás: a) R = + R 6 + ( ( + + )) = 551Ω, b) R C = R 6 + R 7 + [( + ) ( + )] = 994,2Ω, c) R E = R 6 + ( ( + + )) + R = 1423,6Ω, I a = 0,27 I a = 0,15 I a = 0,11 d) R E = + [ + ) ( + )] + R = 987,5Ω, I a = 0,15 ) 1.3. Impedanciahű átalakítások 12 Nem minden kapcsolás bontható fel soros és párhuzamos kapcsolások sorozatára. Ilyen esetben segítséget jelenthet a delta-csillag vagy a csillag-delta átalakítás: a hálózat egy részét kicseréljük más ellenállás-kombinációra oly módon, hogy a hálózat többi részében semmi változás ne történjen és az eredő impedancia a hálózat

14 bármely két pontja felöl nézve változatlan maradjon. Ezt a hálózat impedanciahű átalakításának nevezzük. a. Delta-csillag átalakítás z pontok közé ún. delta (Δ) kapcsolásba kötött ellenállásokat cseréljük ki ugyanezen pontok közé csillag (Y) kapcsolásba kötött ellenállásokkal úgy, hogy bármely két pont felöl nézve az eredő ellenállás a Δ és a Y kapcsolásban megegyezzen Delta kapcsolás Csillag kapcsolás ábra z 1-2 pontok között az ellenállás, ha a 3. pont nincs csatlakoztatva: (1) + = 2 (3 + 3 ) z 2-3. pontok között az ellenállás, ha az 1. pont nincs csatlakoztatva: (2) + = 3 (2 + 3 ) z 1-3. pontok között az ellenállás, ha a 2. pont nincs csatlakoztatva: (3) + = 3 (2 + 3 ) z (1) és (3) egyenletek összegéből kivonva a (2) egyenletet: 2 = 2 (3 + 3 ) (2 + 3 ) (3 + 2 )

15 2 = Így a Y kapcsolás ellenállása: 2 3 = z (1) és (2) egyenletek összegéből levonva a (3) egyenletet, megkapjuk a Y kapcsolás ellenállását: 2 3 = És végül a (2) és (3) egyenletek összegéből levonva az (1) egyenletet, megkapjuk a Y kapcsolás ellenállását: 3 3 = b. Csillag-delta átalakítás z pontok közé csillag (Y) kapcsolásba kötött ellenállásokat cseréljük ki ugyanezek pontok közé delta (Δ) kapcsolásba kötött ellenállásokkal úgy, hogy bármely két pont felöl nézve az eredő ellenállás a Y és a Δ kapcsolásban megegyezzen. 14

16 Csillag kapcsolás Delta kapcsolás ábra z átalakítás képletének levezetéséhez képzeletben kössük össze (zárjuk rövidre) a 2 és 3 pontot. Impedanciahű átalakítás esetén a csillag kapcsolásban az 1 és a 2-3 pontok közötti eredő ellenállás meg kell, hogy egyezzen a delta kapcsolásban az 1. és a szintén összekötött 2-3 pontok közötti ellenállással. Ez csillag kapcsolásban a soros kapcsolását jelenti és párhuzamos eredőjével. Delta kapcsolásban a rövidzár miatt 3 ellenállás nem szól bele az eredő ellenállásba, ami így az 2 és 3 ellenállások párhuzamos eredőjével lesz egyenlő: a replusz jelölést képletként felírva: (1) 3 2 = + ( ) (1) R + 1 = R fenti gondolatmenetet követve az 1 és a 3 pontok összekötésével az eredő ellenállás a 2 és 1-3 pontok között csillag és delta kapcsolásban: a replusz műveletet képletben felírva: (2) 2 3 = + ( ) (2) R + 1 = R Végül az 1 és a 2 pontok összekötésével a 3 és az 1-2 pontok között az eredő ellenállás csillag és delta kapcsolásban: (3) 3 3 = + ( ) azaz (3) R + 1 = R

17 fenti összefüggésekben az ellenállásokat cseréljük ki reciprok értékükkel, vezessük be a G = 1/R jelölést. (G a vezetőképesség jele, mértékegysége Siemens, [S]) z (1) egyenlet így a következőképpen írható: (1) 1 G 13 + G 12 = 1 G G 2 + G 3 G 13 + G 12 = 1 G = 1 G 2 + G 2 G 1 (G 2 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 fenti összefüggés formailag nagyon hasonlít a delta-csillag átalakításnál az ellenállásokra felírt összefüggésre. z (1) egyenlet mintájára a (2) és a (3) egyenletek a következőképpen írhatók: (2) G 12 + G 23 = G 2(G 1 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 (3) G 13 + G 23 = G 3(G 1 + G 2 ) G 1 +G 2 +G 3 z (1) és (2) egyenletek összegéből kivonva a (3) egyenletet: 2 G 12 = G 1(G 2 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 + G 2(G 1 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 G 3(G 1 + G 2 ) G 1 +G 2 +G 3 2 G 12 = G 1 G 2 + G 1 G 3 G 1 +G 2 +G 3 + G 1 G 2 + G 2 G 3 G 1 +G 2 +G 3 G 1 G 3 + G 2 G 3 G 1 +G 2 +G 3 Visszaírva R-eket a képletbe: G 1 G 2 G 12 = G 1 + G 2 + G = = ( ) 2 =

18 2 = + + (2) és (3) egyenletek összegéből kivonva a (1) egyenletet: 2 G 23 = G 2(G 1 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 + G 3(G 1 + G 2 ) G 1 +G 2 +G 3 G 1(G 2 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 Visszaírva R-eket a képletbe: G 2 G 3 G 23 = G 1 + G 2 + G 3 3 = + + Végül az (1) és (3) egyenletek összegéből kivonva a (2) egyenletet: 2 G 13 = G 1(G 2 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 + G 3(G 1 + G 2 ) G 1 +G 2 +G 3 G 2(G 1 + G 3 ) G 1 +G 2 +G 3 G 1 G 3 G 13 = G 1 + G 2 + G 3 Visszaírva R-eket a képletbe: 3 = Számítsuk ki három azonos nagyságú a) deltába kapcsolt R ellenállással egyenértékű csillag kapcsolás ellenállásainak értékeit! R R? R?? ábra lkalmazzuk a delta-csillag átalakítás képlet három azonos nagyságú ellenállásra. ehelyettesítve R-t mindhárom ellenállás helyére látjuk, hogy elég a csillag kapcsolás egyetlen ellenállásának kiszámolása, hiszen az átalakítás után is mindhárom ellenállás azonos nagyságú lesz: 17

19 R Y = R R R + R + R = Tehát egy R ellenállásokból álló delta kapcsolás R/3 nagyságú ellenállásokból álló csillag kapcsolással helyettesíthető. b) csillagba kapcsolt R ellenállással egyenértékű delta kapcsolás ellenállásainak értékeit! R?? R R? ábra R Δ = R + R + R R R = 3R Tehát egy R ellenállásokból álló csillag kapcsolás 3R nagyságú ellenállásokból álló delta kapcsolással helyettesíthető Számítsa ki és pont között az eredő ellenállást! C =2Ω =3Ω =5Ω =4Ω =6Ω D ábra Megoldás delta-csillag átalakítással 18

20 Cseréljük ki CD pontok között a delta kapcsolású,, ellenállásokat a velük egyenértékű csillag kapcsolású R, R C, R D ellenállásokra! C C R C R R D D D ábra R = R C = R D = = = 0,6Ω = = 1Ω = = 1,5Ω R = R + [(R C + ) (R D + )] = 0,6 + [(1 + 4) (1,5 + 6)] = 0, , ,5 R = 3,6 Ω Megoldás csillag-delta átalakítással Cseréljük ki D pontok között a csillag kapcsolású,, ellenállásokat a velük egyenértékű delta kapcsolású R, R D, R D ellenállásokra! (Megjegyzés: C pont az,, ellenállások csillagpontja, ami az átalakítás után eltűnik) 19

21 C R R D R D D D ábra R D = + + = = 9,5Ω R D = + + = = 19Ω R = + + = = 7,6Ω R = R [(R D ) + (R D )] = 7,6 [(9,5 3) + (19 6)] = 7,6 [ 9,5 3 12, ,6 6,84 ] = 7,6 6,84 = 25 7,6 + 6,84 = 3,6Ω Számítsa ki és pont között az eredő ellenállást! =1Ω C D =3Ω =4Ω =2,5Ω =4,5Ω ábra 20

22 Megoldás delta-csillag átalakítással z CD pontok között ellenállások delta kapcsolásban vannak kötve. Cseréljük ki ezt a három ellenállást három csillag kapcsolású ellenállásra! D R R D R C C ábra R = R D = = = 0,375Ω = = 0,5Ω R C = = = 1,5Ω z eredő ellenállás - pontok között: R = R + [(R D + ) (R C + )] = 0,375 + [(0,5 + 2,5) (1,5 + 4,5)] = 2,375Ω Megoldás csillag-delta átalakítással R D D R D R ábra 21

23 z,, ellenállások -D- pontok között csillagba vannak kapcsolva. Cseréljük ki ezeket R D, R, R D delta kapcsolású ellenállásokra. C pont (csillagpont) az átalakítás során eltűnik. R D = + + = ,5 = 9,667Ω R D = + + = 4 + 4, ,5 = 14,5Ω 3 R = + + = 3 + 4, ,5 = 10,875Ω 4 R = R [(R D ) + (R D )] = 10,875 [(9,667 1) + (14,5 2,5)] = 10,875 [ 9, ,667 14,5 2,5 + ] 17 10,875 3,0386 = 10,875 3, , ,386 = 2,375Ω Számítsa ki - pontok között az eredő ellenállást! =6Ω =3Ω =3Ω R 6 =4Ω =8Ω R 6 =6Ω R 7 R 7 =12Ω ábra Megoldás csillag-delta átalakítással és ellenállások párhuzamosan vannak kapcsolva, ezért helyettesíthetők egyetlen 2 = ellenállással. z így kapott csillagba kapcsolt 2,, ellenállásokat helyettesítsük a deltába kapcsolta R C, R C, R, ellenállásokkal! 22

24 C C 2 R 6 R C R C R 6 R R 7 R ábra 2 = = + = = 2Ω R C = = = 7Ω R = = = 28Ω R C = = = 14Ω R = [R 7 R ] [( R C ) + (R C R 6 )] = [12 28] [(3 7) + (14 6)] = 8,4 (2,1 + 4,2) = 3,6Ω Oldja meg a feladatot delta-csillag átalakítással! (Pl. 2,, delta kapcsolás csillaggá alakításával.) Számítsa ki - pontok között az eredő ellenállást! =9Ω =9Ω =4,5Ω =1Ω R 6 R 7 =3Ω R 6 =6Ω R 7 =6Ω ábra 23

25 Megoldás delta-csillag átalakítással és ellenállások párhuzamosan vannak kapcsolva, ezért helyettesíthetők egyetlen 3 = ellenállással. z így kapott deltába kapcsolt 3,, R 6 ellenállásokat helyettesítsük a csillagba kapcsolt R, R C, R D, ellenállásokkal! 3 C R C R C R 6 R 7 R D ábra D D R 7 3 = = + = 9 4,5 9+4,5 = 3Ω R = R C = R D = 3 = R = 0,75Ω 3 R 6 = R = 1,5Ω R 6 = R = 1,5Ω R = {R + [(R D + R 7 ) (R C + )]} = {0,75 + [(1,5 + 6) (1,5 + 1)]} 9 = (0,75 + 7,5 2,5 ) 9 = 2,625 9 = 2,03Ω Oldja meg a feladatot csillag-delta átalakítással! (Pl. 3,, R 6 delta kapcsolás csillaggá alakításával.) 24

26 Számítsa ki - pontok között az eredő ellenállást! R 6 R 7 R 8 =3Ω =2Ω =6Ω =6Ω =12Ω R 6 =4Ω R 7 =2Ω R 8 =8Ω ábra (Megoldás: Pl. és R 6 R 7 R 8 csillag kapcsolások delta kapcsolássá alakításával R =4Ω) 1.4. feszültség és az áramosztás törvénye a) feszültségosztás törvénye Sorba kapcsolt ellenálláslánc elemei a rájuk kapcsolt feszültséget az ellenállások arányában osztják le. soros ellenálláslánc minden tagján ugyanaz az áram folyik keresztül, ezért: I U R1 I = U be = U R1 = U R2 = U R3 = U ki U be U R2 U ki U R1 = U be + + U R3 + U ki = U be ábra b) z áramosztás törvénye Egy áramkör párhuzamosan kapcsolt ágainak áramai fordítottan arányosak az egyes ágak ellenállásaival. párhuzamos ágakon eső feszültségek megegyeznek, ezért: 25

27 I I R1 I R2 I R3 I Rn U be = I R1 = I R2 = I R3 = = I Rn R n = I R e U be. R n 1 R e = R n = R n I Rn = I R e R n ábra Speciális eset: két párhuzamosan kötött ellenállás esetén az áramosztás törvénye: I I R1 I R2 U be = I R1 = I R2 = I R e U be 1 R e = = = + I R1 = I R e = I, + I R2 = I R e = I ábra z áramosztás törvényének segítségével számítsa ki a feszültséggenerátor feszültségét, ha az ellenálláson 1,8 áram folyik keresztül. I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 =1,8 =6Ω =60Ω =28Ω =30Ω U=? =20Ω ábra 26 z áramosztás törvényét I 5 áramra és a csomópontba befolyó I 3 áramra felírva: I 5 = I 3 I + = I = 1,8 =

28 I 1 és I 3 áramra felírva: I 3 = I 1 = I ( ) 45 az ellenállással párhuzamosan kapcsolt ág eredő ellenállása I 1 = I ( ) (30 20) = 3 = 5 60 feszültséggenerátor feszültsége: U = R e I 1 = 30 5 = 150 V R e az egész áramkör eredő ellenállása: R e = + [ ( + ( ))] = 6 + [60 (28 + (30 20))] = 30Ω Számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásain eső feszültségeket! =2Ω U U R1 U R2 U R3 U R4 =4Ω =6Ω =9Ω U=12V ábra feszültségosztás törvényét felírva az egyes ellenállásokra: U R1 = U = U R e + + ( ) = (6 9) = 12 2 = 2,5 V 9,6 U R2 = U 4 = 12 R e 9,6 = 5 V U R3 = U R4 = U = ,6 = 12 = 4,5 V R e 9,6 9,6 (U R3 (=U R4 ) értékét természetesen az U R3 = U U 1 U 2 = 12 2,5 5 = 4,5 V összefüggésből is megkaphattuk volna.) 27

29 Számítsa ki az alábbi áramkör egyes ágaiban folyó áramokat! =1Ω =2Ω I =3Ω =4Ω I= ábra (Megoldás: I 1 = 11,52, I 2 = 5,76, I 3 = 3,84, I 4 = 2,88 ) Számítsa ki az alábbi áramkör áramgenerátorának és ellenállásának áramát, ha az ellenállás árama 5. =5Ω =8Ω I =7Ω =3Ω I R2 = ábra (Megoldás: I=10,1, I R3 =1,5 ) Számítsa ki a feszültséggenerátor feszültségét, ha az ellenálláson eső feszültség 18 V! =3Ω U =2Ω =6Ω =2Ω =3Ω U R3 =18V ábra (Megoldás: U=42V) 28

30 Számítsa ki az alábbi áramkör feszültséggenerátorának feszültségét, és R 7 ellenállásának áramát, ha az ellenállás árama 1,5! =6Ω =6Ω =4Ω =6Ω U=? R 7 =2Ω R 6 =8Ω R 7 =5Ω R 6 I R2 =1, ábra (Megoldás: U=24 V, I R7 =1 ) Számítsa ki az áramgenerátor áramát, ha az R 6 ellenállás árama 4! =12Ω =4,8Ω =1,2Ω =1Ω =4Ω R 7 R 6 =1,8Ω I R 6 R 8 R 7 =2Ω R 8 =3Ω I R6 = ábra (Megoldás: I=15 ) 29

31 Számítsa ki a feszültséggenerátor feszültségét és az R 6 ellenállás áramát, ha az ellenálláson eső feszültség 21 V! =14Ω R 6 =2Ω =3Ω =10Ω =20Ω U R 7 R 6 =30Ω R 7 =40Ω U R1 =21 V ábra (Megoldás: U=30 V, I R6 =0,24 ) 1.5. Thévenin és a Norton tétel Thévenin tétel szerint minden, fogyasztókat és generátorokat tartalmazó villamos hálózat bármely két pontja felöl helyettesíthető egyetlen ideális feszültséggenerátorral (U 0 ) és egy vele sorba kapcsolt belső ellenállással (R b ). helyettesítő feszültséggenerátor forrásfeszültségét úgy kapjuk, hogy a helyettesítendő részt leválasztva az eredeti hálózatból kiszámoljuk a felnyitott kapcsok közötti feszültségét. belső ellenállást megkapjuk, ha a helyettesítendő áramkör rész minden feszültséggenerátorát rövidre zárjuk, minden áramgenerátorának áramkörét megszakítjuk, majd az így kapott passzív hálózat eredő ellenállását a felnyitott kapcsok felöl kiszámítjuk. (1.47. ábra) Norton tétel szerint minden, fogyasztókat és generátorokat tartalmazó villamos hálózat bármely két pontja felöl helyettesíthető egyetlen ideális áramgenerátorral (I 0 ) és egy vele párhuzamosan kapcsolt belső ellenállással (R b ). z helyettesítő áramgenerátor forrásáramát úgy kapjuk, hogy a helyettesítendő részt leválasztva az eredeti hálózatból kiszámoljuk a rövidre zárt kapcsok között folyó áramot. belső ellenállást megkapjuk, ha a helyettesítendő áramkör rész minden feszültséggenerátorát rövidre zárjuk, minden áramgenerátorának áramkörét megszakítjuk, majd az így kapott passzív hálózat eredő ellenállását a felnyitott kapcsok felöl kiszámítjuk. (1.48. ábra) ( Norton és a Thévenin generátor belső ellenállása megegyezik) z összefüggés a Norton és Thévenin generátor között (1.46. ábra): 30

32 R b U I = 0N 0T = Rb U 0Thévenin = I 0Norton R b ábra I U 0 U k R Helyettesítendő hálózat rész Thévenin generátor forrásfeszültségének meghatározása I R b R b U k R U 0 Thévenin generátor belső ellenállásának meghatározása Thévenin-féle helyettesítő generátor ábra 31

33 U k I I 0 R Helyettesítendő hálózat rész Norton generátor forrásáramának meghatározása I R b I 0 R b U k R Norton generátor belső ellenállásának meghatározása Norton-féle helyettesítő generátor Kidolgozott példák a Thévenin és a Norton tétel alkalmazására z alábbi példákat gyakorlásként mindkét tétel alkalmazásával kiszámoljuk, bár látni fogjuk, hogy a példától függően hol az egyik, hol a másik tétel alkalmazása ad egyerűbb megoldást. Ezért a példa megoldása előtt érdemes átgondolni, melyik módszerrel lehet egyszerűbben, kevesebb számolással megkapni az eredményt. 32

34 Thévenin és a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! =10Ω U =20Ω =30Ω =60Ω U=30V ábra Megoldás a Thévenin tétel segítségével a) Először távolítsuk el ellenállást az áramkörből, majd a visszamaradó hálózatrészben számítsuk ki a feszültséget a felnyitott - kapcsok között. Ez a feszültség lesz a Thévenin generátor forrásfeszültsége: U 0 U C= ábra 33

35 felnyitott ág miatt ellenálláson nem folyik áram, így rajta nem esik feszültség, ezért U 0 feszültség megegyezik az ellenálláson eső feszültséggel. (mi pedig egyenlő U feszültségforrás és az ellenálláson eső feszültség különbségével. (ld. Kirchhoff hurok tv.) feszültségosztás törvényét felírva ellenállásra: U 0 = U 60 = 30 = 20 V b) Zárjuk rövidre U feszültségforrást, majd számítsuk ki és pontok között az eredő ellenállást. Ez lesz a Thévenin generátor belső ellenállása: R =R b ábra R b = + ( ) = = = 40 Ω c) Rajzoljuk fel a Thévenin-féle feszültséggenerátort, a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: 34

36 U 0 I R1 U R1 R b ábra U R1 = U 0 10 = 20 + R b = 4 V I R1 = U R1 = 4 = 0, Megoldás a Norton tétel segítségével a) Először távolítsuk el ellenállást az áramkörből, majd a visszamaradó hálózatrészben számítsuk ki az áramot a rövidre zárt - kapcsok között. Ez az áram lesz a Norton generátor forrásárama: I 0 U C= ábra z áramkör eredő ellenállása: R e = + ( ) = 30 + (20 60) = 45 Ω Árama: I = U = 30 R e 45 = 2 = 0,

37 I 0 áramra az áramosztás törvényét felírva: I 0 = I = = 0, b) belső ellenállás kiszámítása megegyezik a Thévenin generátor belső ellenállásának kiszámításával. Zárjuk rövidre U feszültségforrást, majd számítsuk ki és pontok között az eredő ellenállást. Ez lesz a Norton generátor belső ellenállása (ld ábra): R b = + ( ) = = = 40 Ω c) Végül rajzoljuk fel a Norton-féle áramgenerátort (1-54.ábra), a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: I 0 UR1 I R1 R b ábra z áramosztás törvénye I R1 áramra: I R1 = I R b 40 = 0,5 = 0,4 R b Végül U R1 feszültség: U R1 = I R1 = 0,4 10 = 4 V Thévenin és a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! 36

38 =4Ω =6 Ω U =2Ω =3Ω =6Ω U=24V ábra Megoldás a Thévenin tétel segítségével U 0 U ábra z áramkör eredő ellenállása: R e = + ( ( + )) = 6 + (3 (4 + 2)) = 8 Ω z áramkör árama: I = U R e = 24 8 = 3 és ellenállásokon folyó áram az áramosztás törvényéből: I R13 = I 3 = = 1 Thévenin generátor U 0 forrásfeszültsége egyenlő az ellenálláson eső feszültséggel, így: U 0 = I R13 = 4 1 = 4 V Thévenin generátor belső ellenállását U feszültségforrás rövidre zárása után az - R =R ábra

39 pontok közötti ellenállás kiszámításával kapjuk: R b = [ + ( )] = 4 [2 + (3 6)] = 2 Ω Rajzoljuk fel a Thévenin-féle feszültséggenerátort, a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: U 0 =4V R b =2Ω U R2 I R ábra U R2 = U 0 I R2 = U R2 6 = 4 + R b = 3 V = 3 = 0,5 6 Mielőtt megoldanánk a feladatot a Norton tétel alkalmazásával, a Thévenin generátor adataiból a Norton generátor adatai egyszerűen kiszámíthatóak. Norton generátor forrásárama: I 0 = U 0 R b = 4 2 = 2 belsőellenállás mindkét helyettesítő generátornál ugyanaz Megoldás a Norton tétel segítségével I 0 U ábra 38

40 I 0 forrásfeszültség kiszámításához ellenállás eltávolítása után rövidre zárjuk a visszamaradó áramkört és pontok között. I 0 egyenlő az és pontok között folyó árammal. rövidzár miatt ellenálláson nem folyik áram, az áramkör árama a két párhuzamosan kapcsolt és ellenállás között oszlik meg. Írjuk fel a feszültségosztás törvényét és a két párhuzamosan kapcsolt ellenállás, és eredőjére. párhuzamos ágak feszültsége: U R34 = U ellenállás árama: I 0 = U R34 + ( ) = (2 3) = 4 V = 4 2 = 2 belső ellenállás kiszámítása megegyezik a Thévenin generátornál leírtakkal (1-57. ábra), így R b =2Ω. Rajzoljuk fel a Norton-féle áramgenerátort (1-60.ábra), a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: I R2 I 0 =2 R b =2Ω U R ábra z áramosztás törvénye I R2 áramra: I R2 = I R b 2 = 2 = 0,5 R b Végül U R2 feszültség: U R2 = I R2 = 0,5 6 = 3 V Thévenin és a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! 39

41 =60Ω =15Ω I =50Ω =30Ω =20Ω I= ábra Megoldás a Thévenin tétel segítségével I U 0 R b ábra eltávolítása után a visszamaradó áramkör két párhuzamos ágat tartalmaz (1-62. ábra). z egyik ágban, a másikban a sorba kapcsolt, és található. z áramgenerátor I árama e két ág között az áramosztás törvényének megfelelően oszlik meg: I R245 = I 60 = 5 = 2, Thévenin generátor U 0 forrásfeszültsége az és ellenállásokon eső feszültségek összegével egyenlő: U 0 = I R245 ( + ) = 2,4 ( ) = 120 V Thévenin generátor belső ellenállását az áramgenerátor áramkörének megszakításával és pontok közötti ellenállás kiszámításával kapjuk (1-62. ábra) R b = ( + ) ( + ) = ( ) ( ) = 30Ω Rajzoljuk fel a Thévenin-féle feszültséggenerátort, a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: 40

42 U 0 =120V I R3 R b =30Ω U R ábra U R3 = U 0 50 = 120 = 75 V + R b I R3 = U R3 = 75 = 1, Megoldás a Norton tétel segítségével I I 0 R b ábra ellenállás eltávolítása után a visszamaradó áramkört és pontok között rövidre zárjuk. z itt folyó áram lesz a Norton generátor forrásárama. rövidre zárás miatt és ellenállásokon nem folyik áram, ezért I áram a párhuzamosan kapcsolt és között oszlik meg. I 0 áram az ellenállás áramával egyenlő: I 0 = I 60 = = 4 41

43 belső ellenállás kiszámítás a pontban leírttal megegyező módon történik, így R b =30 Ω. Rajzoljuk fel a Norton-féle áramgenerátort (1-65.ábra), a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: I R3 I 0 =4 R b =30Ω U R ábra z áramosztás törvénye I R3 áramra: I R3 = I R b 30 = 4 = 1,5 R b Végül U R3 feszültség: U R3 = I R3 = 1,5 6 = 75 V Thévenin és a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! =6Ω =6Ω =6Ω U R 6 =2Ω =2Ω R 6 =2Ω U=30 V ábra Megoldás a Thévenin tétel segítségével 42

44 C U 0 C I 1 I I 2 U 0 R 6 R 6 U U D D ábra Thévenin féle helyettesítő generátor U 0 forrásfeszültségét úgy kapjuk, hogy az ellenállás eltávolítása után a visszamaradó áramkör felnyitott és pontjai között kiszámítjuk a feszültséget. z ábrán mindkét rajz ugyanazt az áramkört ábrázolja, csak a jobb oldali ábra jobban áttekinthető. z ábrán lévő áramkör eredő ellenállása: R e = + + (R 6 ( + )) = (2 (6 + 2)) = 9,6 Ω z áramkör árama: I = U = 30 = 3,125 R e 9,6 I 1 áramra az áramosztás törvényét felírva: I 1 = I R 6 2 = 3,125 = 0,625 R z ábrán látjuk, hogy és pontok közötti feszültséget, (ami egyben a Thévenin generátor forrásfeszültsége), az alábbi módon tudjuk felírni: U 0 = I + I 1 = 3, ,625 6 = 22,5 V Thévenin generátor belső ellenállásának kiszámításához az ábra áramkörének feszültséggenerátorát rövidre zárjuk, majd kiszámítjuk és pontok között az ellenállást. 43

45 R b C C R 6 R 6 D D ábra z ábrán mindkét rajz ugyanazt az ellenállás hálózatot ábrázolja. jobboldali ábrából jól látszik, hogy az eredő ellenállás kiszámításához csillag-delta vagy delta-csillag átalakításra van szükség. Például az,, R 6 ellenállások alkotta csillag kapcsolást átalakítsuk át delta kapcsolássá. C R C R C R ábra R C = + R 6 + R 6 = = 6Ω, R C = + R 6 + R 6 = = 6Ω, R = + + R 6 = = 6 Ω, Most már fel tudjuk írni és pontok között az eredő ellenállást: R b = [( R C ) + ( R C )] R = [(6 6) + (6 6)] 6 = 3 Ω Végül rajzoljuk fel a Thévenin-féle feszültséggenerátort, a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: 44

46 U 0=18,462V I R2 U R2 R b =2,615Ω ábra U R2 = U 0 6 = 22,5 = 15 V + R b I R2 = U R2 = 15 6 = 2, Megoldás a Norton tétel segítségével I R1 I 0 C = I R1 C I R4 R 6 I R4 I I R3 R 6 U U D D ábra z áramkör eredő ellenállása: R e = + ( [( ) + R 6 ]) = 2 + (2 [(6 6) + 2]) = 24 7 Ω z áramkör árama: I = U 7 = 30 = 8,75 R e 24 z ábra bal oldali áramkörénél az pontra felírt Kirchhoff csomóponti egyenletből a Norton generátor I 0 forrásáramára a következő egyenletet kapjuk: I 0 = I R1 + I R4 Ebből I R4 áram: 45

47 I R4 = I ( ) + R 6 (6 6) + 2 = 8,75 ( ) + R 6 + (6 6) = 8,75 5 = 6,25 7 maradék áram és ellenállásokon oszlik meg. Mivel és azonos nagyságú, a rajtuk átfolyó áram is azonos nagyságú lesz. I R1 + I R3 = I I R4 = 8,75 6,25 = 2,5 z áramosztás törvénye I R1 áramra: I R1 = (I R1 + I R3 ) 6 = 2,5 = 1, Norton generátor I 0 forrásáramára tehát: I 0 = I R1 + I R4 = 1,25 + 6,25 = 7,5 Norton generátor belső ellenállásának meghatározása a Thévenin tételes számításnál az pontban megtalálható. Végül rajzoljuk fel a Norton-féle áramgenerátort (1-72.ábra), a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: I 0=7,06 R b =2,615Ω U R2 I R ábra z áramosztás törvénye I R2 áramra: I R2 = I R b 3 = 7,5 = 2,5 R b Végül U R2 feszültség: U R2 = I R2 = 2,5 6 = 15V 46

48 Számítsa ki az alábbi áramkör ellenálláson kívüli részének Thévenin és Norton féle helyettesítő generátorának paramétereit, majd ennek segítségével számítsa ki ellenállás feszültségét és áramát! U 1 U 2 =2Ω =3Ω =8Ω =5Ω U 1 =120V U 2 =90V ábra Megoldás a Thévenin tétel segítségével ellenállás eltávolítása után számítsuk ki az és pontok közötti feszültséget, ami a Thévenin generátor forrásfeszültségével lesz egyenlő. I U 2 U 0 U ábra Írjuk fel Kirchhoff hurokegyenletét ábrán látható áramkör áramának kiszámításához: I ( + + ) + U 2 U 1 = 0 I = U 1 U = = 3 Thévenin generátor U 0 forrásfeszültsége: U 0 = U 1 I ( + ) = = 105 V (vagy U 0 = U 2 + I = 105 V) Thévenin generátor belső ellenállásának meghatározásához mindkét feszültséggenerátort rövidre zárjuk, majd kiszámítjuk és pontok között az eredő ellenállást: 47

49 I ábra R b = ( + ) = (2 + 3) 5 = 2,5Ω Végül rajzoljuk fel a Thévenin-féle feszültséggenerátort, a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: U 0 =105V R b =2,5Ω U R3 I R ábra U R3 = U 0 8 = 105 = 80 V + R b 8 + 2,5 I R3 = U R3 = 80 8 = Megoldás a Norton tétel segítségével z ellenállás eltávolítása után zárjuk rövidre az áramkört és pontok között, majd számítsuk ki az - pontok között folyó áramot: 48

50 U 2 I R12 I R4 I 0 U ábra rövidzár miatt U 1 feszültségforrás teljes feszültsége és ellenállásokon esik, U 2 feszültségforrás teljes feszültsége pedig ellenálláson. I R12 = U 1 = 120 = I R4 = U 2 = 90 5 = 18 Kirchhoff csomóponti törvényét felírva az csomópontra a Norton generátor I 0 forrásárama: I 0 = I R12 + I R4 = 42 belső ellenállás kiszámítása megegyezik az pontban leírtakkal, így R b =2,5Ω. Rajzoljuk fel a Norton-féle áramgenerátort (1-78.ábra), a kapcsaira csatlakoztassuk ellenállást, majd számoljuk ki áramát és feszültségét: I R3 I 0 =42 R b =2,5Ω U R ábra z áramosztás törvénye I R3 áramra: I R3 = I R b 2,5 = 42 = 10 R b + 2,

51 Végül U R3 feszültség: U R3 = I R3 = 10 8 = 80V Gyakorló példák a Thévenin és a Norton tétel alkalmazására Thévenin vagy a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! =10Ω U =20Ω =30Ω =60Ω U=30V ábra (Megoldás: U 0 =15 V, I 0 =1, R b =15 Ω, U R4 =12 V, I R4 =0,2 ) Thévenin vagy a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! =4Ω =6Ω U =2Ω =3Ω =6Ω U=24V ábra (Megoldás: U 0 =8 V, I 0 =1,818, R b =4,4 Ω, U R3 =2,5 V, I R3 =1,25 ) 50

52 Thévenin vagy a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! =60Ω =15Ω I =50Ω =30Ω =20Ω I= ábra (Megoldás: U 0 =120 V, I 0 =4, R b =50 Ω, U R4 =60 V, I R4 =2 ) Thévenin vagy a Norton tétel segítségével számítsa ki az alábbi áramkör ellenállásának áramát és feszültségét! =6Ω =6Ω =2Ω U R 6 =2Ω =2Ω R 6 =6Ω U=30 V ábra (Megoldás: U 0 =10 V, I 0 =3, R b =3,333 Ω, U R1 =6,429 V, I R1 =1,071 ) Számítsa ki az alábbi áramkör ellenálláson kívüli részének Thévenin vagy Norton féle helyettesítő generátorának paramétereit, majd ennek segítségével számítsa ki ellenállás feszültségét és áramát! 51

53 =2Ω =3Ω U 1 U 2 =8Ω =2Ω U 1 =120V U 2 =90V ábra (Megoldás: U 0 =48 V, I 0 =13,33, R b =3,6 Ω, U R2 =21,818 V, I R2 =7,272 ) 1.6. Módszerek több generátort és fogyasztót tartalmazó elágazó hálózatok ágaiban folyó áramok kiszámítására z alábbiakban négy módszer, a Kirchhoff-törvények, a szuperpozíció tétel, a csomóponti potenciálok és a hurokáramok módszere alkalmazásával ismerkedünk meg. módszerek ismertetése példákon keresztül történik, az első három példánál mind a négyfajta megoldás bemutatásra kerül, hogy lássuk, hogy példánként változik, hogy melyik megoldási mód vezet kevesebb számolással gyorsabb eredményre Számítsuk ki az alábbi áramkör egyes ágaiban folyó áramokat! =1Ω =2Ω U 1 I 1 I 3 =3Ω + I 2 + U 3 =4Ω U 2 U 1 =35V U 2 =14V U 3 =16V ábra 52

54 Megoldás Kirchhoff törvények segítségével a) Jelöljük be az ágak áramait! (I 1, I 2, I 3 ) z áramirányok felvétele önkényes, ha a valós áramirány a feltételezettel ellentétes, eredményként negatív értéket fogunk kapni. b) Jelöljük be a hurkokban a pozitív körüljárás irányát! c) három ismeretlen ágáram meghatározásához három független egyenletből álló egyenletrendszer felírása szükséges. Ez esetünkben két hurok és egy csomóponti egyenletet jelent. Hurok egyenletek (z ellenállásokon eső feszültségek iránya a rajtuk átfolyó áram irányával megegyező.): (1) I 1 + I 2 U 2 + I 1 U 1 = 0 (2) I 3 + U 2 + U 3 I 2 = 0 Csomóponti egyenlet: (3) I 1 I 2 + I 3 = 0 ehelyettesítve a megadott értékeket: (1) I I I 1 = (2) 4 I 3 3 I 2 = (3) I 1 I 2 + I 3 = 0 (1) 3 I I 2 = 49 (2) 4 I I 2 = 30 (3) I 1 = I 2 I 3 (1) 3 (I 2 I 3 ) + 3 I 2 = 49 (2) 4 I I 2 = 30 (1) 6 I 2 3 I 3 = 49 (2) 3 I I 3 = I 3 = 11 I 3 = 1 53

55 I 2 = = 26 3 = 8,67 I 1 = = 23 3 = 7, Megoldás a csomóponti potenciálok módszerével =1Ω U 1 U I 1 I 3 I 2 U 2 U 3 =2Ω =3Ω =4Ω U 1 =35V U 2 =14V U =0 U 3 =16V ábra z ágak áramai az ágak két végpontja közötti potenciálkülönbségtől függnek. z ábrán mindhárom ág egyik végpontja U, másik végpontja U potenciálon van. Mivel az áram szempontjából csak a két potenciál különbsége számít, az egyik értékét tekinthetjük nullának. Legyen U =0. z ágáramok a csomóponti potenciálok segítségével kifejezhetők: (1) U U = I 1 + U 1 I 1 (2) U U = I 2 U 2 (3) U U = I 3 + U 3 mivel U =0 I 1 = U 1 U + mivel U =0 I 2 = U +U 2 mivel U =0 I 3 = U 3 U Így mindhárom ágáram csak U csomóponti potenciáltól függ. U kiszámításához pedig elég egyetlen Kirchhoff csomóponti egyenlet felírása. I 1 I 2 + I 3 = 0 ehelyettesítve a csomóponti potenciálokkal kifejezett áram értékeket: 54 U 1 U U U 2 + U 3 U = U 3 U U 4 = 0

56 4(35 U ) 4(U 14) + 3(16 U ) = 0 11U = 132 U = 12 V Visszahelyettesítve U értékét (1), (2), (3) egyenletekbe: I 1 = U 1 U = = I 2 = U U = = I 3 = U 3 U = = 1 4 = 7,67 = 8, Megoldás a hurokáramok módszerével =1Ω U 1 I 1 I 3 I s1 I 2 I s2 U 2 U 3 =2Ω =3Ω =4Ω U 1 =35V U 2 =14V U 3 =16V ábra hurokáramok módszerénél feltételezzük, hogy az ágak áramait az áramkör egyes zárt hurkaiban folyó ún. hurokáramok eredője hozza létre, vagyis azon ágak áramai, melyek két hurokhoz is tartoznak, kiszámíthatók a hurokáramok előjeles összegéből. Ez által az ismeretlenek száma a független hurokegyenletek számára csökken. Ez ennél a példánál azt jelenti, hogy két Kirchhoff hurokegyenletből álló kétismeretlenes egyenletrendszert kell megoldani. 1. Jelöljük be az ágak áramait! (I 1,I 2,I 3 ) z áramirányok felvétele önkényes, ha a valós áramirány a feltételezettel ellentétes, eredményként negatív értéket fogunk kapni. 2. Jelöljük be a hurkokáramok irányát minden hurokban! 3. Írjuk fel a valós ágáramok és a fiktív hurokáramok közötti az összefüggéseket! melyik ág csak egy hurokhoz tartozik, ott az ágáram és a hurokáram nagysága megegyezik, de az előjelre itt is figyelni kell! 55

57 I 1 = I s1 I 2 = I s1 I s2 I 3 = I s2 4. Írjuk fel Kirchhoff hurokegyenleteit I s1 és I s2 segítségével: (1) I s1 + (I s1 I s2 ) U 2 + I s1 U 1 = 0 (2) I s2 + U 2 + U 3 + (I s2 I s1 ) = 0 (1) ( + + ) I s1 I s2 = U 2 + U 1 (2) I s1 + ( + ) I s2 = U 2 U 3 (1) 6 I s1 3 I s2 = 49 (2) 3 I s1 + 7 I s2 = I s2 = 11 I s2 = 1 I s1 = 7 I s = 23 3 = 7,67 Így a valódi ágáramok: I 1 = I s1 = 7,67, I 2 = I s1 I s2 = 7,67 ( 1) = 8,67, I 3 = I s2 = ( 1) = Megoldás a szuperpozíció tétel segítségével Több feszültség és/vagy áramgenerátort tartalmazó hálózat bármely ágának árama egyenlő azon áramok összegével, amelyet a csak egy-egy generátor hozna létre, ha a többi áramés/vagy feszültségforrást kiiktatnánk, vagyis a feszültséggenerátorokat rövidre zárnánk, az áramgenerátorok áramkörét megszakítanánk. 56

58 U =1Ω =2Ω U 1 I 1 I 3 =3Ω I 2 U 3 =4Ω U 2 U 1 =35V U 2 =14V U U 3 =16V ábra I 1 I 3 U 1 I 2 I 1 I 3 I 2 U ábra I 1 R I 3 3 I 2 U ábra 1. Jelöljük be az ágak áramait! (I 1,I 2,I 3 ) z áramirányok felvétele önkényes, ha a valós áramirány a feltételezettel ellentétes, eredményként negatív értéket fogunk kapni. 2. Rajzoljuk fel az egyenként a három rész áramkört, melyeket egy feszültséggenerátor meghagyásával, a két másik kiiktatásával kapunk. Jelöljük be az áramirányokat! Ezeknek az áramoknak az iránya már nem vehető fel tetszőlegesen, mert a feszültséggenerátorok feszültségei által adottak! 3. Számítsuk ki egyenként a három áramkör ágaiban folyó áramokat! 57

59 R e = + + ( ) = I 1 = U 1 R = 35 = 7, 424 e 4, = 4, 714 Ω I 2 = I 1 + = 4,242, I 3 = I 1 I 2 = 7,424 4,242 = 3,182 a) R e " = + [( + ) ] = 3 + (1+2) = 4,714 Ω I " 2 = U 2 R" = 14 = 2, 9697 e 4, 714 I 1 " = I 2 " + + = 1,697, I 3 " = I 2 " I 1 " = 2,9697 1,697 = 1,273 b) R e = + [( + ) ] = 4 + (1+2) = 5,5 Ω I 3 = U 3 R = 16 = 2, 909 e 5, 5 I 1 = I = 1,4545, I 2 = I 3 I 1 = 2,909 1,4545 = 1, kapott eredményekből írjuk fel az eredeti áramkör áramait! I 1 = I 1 + I 1 I 1 = 7, ,6969 1,4545 = 7,67 I 2 = I 2 + I 2 + I 2 = 4, , ,4545 = 8,67 I 3 = I 3 + I 3 + I 3 = 3, , ,0909 = 1 58

60 Számítsa ki az alábbi áramkör egyes ágaiban folyó áramokat! U 2 =10Ω U 1 I 0 =10Ω =5Ω =15Ω =20Ω U 1 =90V U 2 =45V I 0 = ábra Megoldás a Kirchhoff törvények alkalmazásával kapcsolási rajzon jelöljük be az ismeretlen ágáramokat! z áramok irányát tetszőlegesen felvehetjük, ha a számítások végén negatív előjelet kapunk, az azt jelenti, hogy a tényleges áramirány a feltételezettel ellentétes irányú. U 2 I 1 I 3 + I 2 + I 4 I 0 U 1 I 3 C D ábra z ábrából látszik, hogy négy ismeretlen ágáramot kell meghatározni. Ehhez egy négy egyenletből álló négy ismeretlenes egyenletrendszerre van szükség. ( és ellenállások áramai megegyeznek, hiszen a és a D csomópontba a befutó ágak közül kettő azonos, így a harmadik ág áramának is azonosnak kell lenni.) négy egyenlet két csomóponti és két hurokegyenletet jelent. Csomóponti egyenletet írhatunk fel pl. az és a csomópontra, hurokegyenletet pl. az ábrán bejelölt két hurokra: Hurok egyenletek: (1) I 1 + I 2 U 1 = 0 (2) U 2 I 3 + I 4 I 3 I 2 = 0 59

61 Csomóponti egyenletek: (3) I 1 I 2 + I 3 = 0 (4) I 0 I 3 I 4 = 0 (1) I 1 + I 2 = U 1 (2) I 2 ( + ) I 3 + I 4 = U 2 (3) I 1 I 2 + I 3 = 0 (4) I 3 + I 4 = I 0 z egyenletrendszer megoldása tetszőleges módszerrel történhet, egyik lehetőség pl. a Gauss elimináció alkalmazása. z egyenletrendszer mátrixos alakja: R [ 2 ( + ) ] [ I 1 I 2 ] = [ I 3 I 4 U 1 U 2 ] 0 I 0 ehelyettesítve a megadott értékeket: bővített mátrix: I [ ] [ 2 45 ] = [ ] I I 4 6 I [ ] Gauss elimináció lépései: [ ] [ ] [ ]

62 z utolsó lépésként kapott mátrixból felírható: 90 I 4 = 360 I 4 = 4 60 I = 0 I 3 = 2 10 I = 45 I 2 = 5,5 10 I ,5 = 90 I 1 = 3, Megoldás a csomóponti potenciálok módszerével U 2 U U I 1 I 3 I 2 I 4 I 0 U 1 I 3 U C =0 U D ábra Ha megnézzük az ábrát, látjuk, hogy négy különböző potenciálú csomópont található a kapcsolásban, amelyikből egynek a potenciálját 0-nak vehetjük, de így is marad 3 ismeretlen csomóponti potenciál. z előzőekben, amikor a Kirchhoff-törvények segítségével oldottuk meg a feladatot, láttuk, hogy csak 2 egymástól független csomóponti egyenlet írható fel, márpedig a csomóponti potenciálok módszerénél a csomóponti egyenletek számával megegyező egyenletet tudunk felírni az ismeretlenek kiszámításához. látszólagos ellentmondást az okozza, hogy a kapcsolás 2 ágában is I 3 áram folyik, vagyis I 3 kifejezhető nemcsak U és U, hanem U C és U D csomóponti potenciálok segítségével is, vagyis ha U C -t nullának vesszük, U D kifejezhető U és U segítségével. Fejezzük ki az ágáramokat! (1) U = U 1 I 1 I 1 = U 1 U (2) U = I 2 I 2 = U (3) U U = U 2 I 3 I 3 = U 2 U +U 61

63 (4) U U C = I 4 I 4 = U U C (5) U D = I 3 I 3 = U D (3) és az (5) egyenletekből U D kifejezhető: I 3 = U 2 U + U = U D U D = U 2 U + U U D behelyettesítve a (4) egyenletbe I 4 kifejezhető: (4) U + U 2 U +U = I 4 I 4 = U + U 2 U +U Írjuk fel a csomóponti egyenleteket és csomópontra! () I 1 I 2 + I 3 = 0 () I 0 I 3 I 4 = 0 () U 1 U U + U 2 U +U = 0 () I 0 U 2 U +U U U 2 U +U = 0 () 90 U 10 U + 45 U +U = () 6 45 U +U 5 U 45 U +U 20 = () 90 U U U + 2 U = 0 () U 3 U U U 4 U = 0 () 4 U + 2 U = 180 () 7 U 8 U = 225 () 16 U + 8 U =

64 () 7 U 8 U = 225 ()+() 9 U = 495 U = 55 V U = U U = 20 V z eredményeket behelyettesítjük az ágáramokra felírt összefüggésekbe: (1) I 1 = U 1 U = = 3,5 (2) I 2 = U = 55 = 5,5 10 (3) I 3 = U 2 U +U = = 2 5 (4) I 4 = U U D (5) I 3 = U D = 45 U D = = 4 15 U D = I 3 = 20 2 = 40 V Megoldás a hurokáramok módszerével U 2 I 1 I 3 I s1 I 2 I s2 I 4 I 0 U 1 I 3 C D ábra Először írjuk fel a hurokáramok és a tényleges ágáramok közötti összefüggéseket! (1) I 1 = I s1 (2) I 2 = I s1 I s2 (3) I 3 = I s2 (4) I 4 = I s2 + I 0 63

65 két ismeretlen hurokáram az ábrán bejelölt két hurokra felírt hurokegyenletekből kiszámítható: (1) I s1 + (I s1 I s2 ) U 1 = 0 (2) U 2 + I s2 + (I s2 + I 0 ) + I s2 + (I s2 I s1 ) = 0 (1) ( + ) I s1 I s2 = U 1 (2) I s1 + ( ) I s2 = U 2 I 0 (1) 20 I s1 10 I s2 = 90 (2) 10 I s I s2 = 135 (1)+2 (2): 90I s2 = 180 I s2 = 2 I s1 = ( 2) 20 = 3,5 fenti eredmények segítségével megkapjuk a valós ágáramokat (1) I 1 = I s1 = 3,5 (2) I 2 = I s1 I s2 = 3,5 ( 2) = 5,5 (3) I 3 = I s2 = ( 2) = 2 (4) I 4 = I s2 + I 0 = = Megoldás a szuperpozíció tételével z áramkör két feszültség- és egy áramgenerátort tartalmaz, a megoldáshoz három rész áramkörre bontjuk a kapcsolást. 64

66 U 1 U 2 I 1 I 3 I 2 I 4 I 0 a) I = 1 I 3 + U 1 I R I U 2 b) c) I 1 I 3 R I 2 2 I 4 + I 1 I 3 R I 2 2 I 4 I ábra rész áramkörök áramainak kiszámítása: a) R e = + ( ( + + )) = 10 + (10 ( ) = 18 Ω I 1 = U 1 R e = = 5 I 2 = I = = 4 I 3 = I 1 I 2 = 5 4 = 1 b) R e = ( ) = (10 10) = 45 Ω I 3 = U 2 R e = = 1 I 2 = I 3 10 = 1 = 0, I 1 = I 3 I 2 = 1 0,5 = 0,5 c) I 4 = I ( ) (10 10) = ( ) (10 10) + 15 = 4 65

67 I 3 = I 0 I 4 = 6 4 = 2 I 2 = I 3 10 = = 1 I 1 = I 3 I 2 = 2 1 = 1 rész áramkörök áramainak összegzésével megkapjuk a valódi ágáramokat. z összegzés során figyeljünk az áramirányokra! ( feladatot a rossz előjelekkel lehet legkönnyebben elrontani, ezért a végén mindig érdemes a végeredményt a Kirchhoff csomóponti egyenletekkel ellenőrizni) I 1 = I 1 I 1 I 1 = 5 0,5 1 = 3,5 I 2 = I 2 + I 2 + I 2 = 4 + 0,5 + 1 = 5,5 I 3 = I 3 + I 3 + I 3 = = 2 I 4 = I 3 I 3 + I 4 = = Számítsa ki az alábbi áramkör egyes ágaiban folyó áramokat! U 1 U 2 U 3 R 6 =2,5Ω =10Ω =3Ω =6Ω =8Ω R 6 =8Ω U 1 =25V U 2 =40V U 3 =64V ábra Megoldás a Kirchhoff törvények alkalmazásával Jelöljük be az áramokat (az áramirányok felvétele tetszőleges, ha a végén negatív értéket kapunk, akkor az azt jelenti, hogy a berajzolttal ellentétes a valódi áramirány): 66

68 U 2 + I 3 U 1 I 1 I 4 I 6 R 6 I 2 I 5 R U ábra hat ismeretlen ágáram kiszámításához a Kirchhoff törvények segítségével hat egyenletet, 2 csomóponti- és 4 hurokegyenletet lehet felírni: Hurok egyenletek: (1) I 1 + I 2 U 1 = 0 (2) I 2 + I 4 I 5 = 0 (3) U 2 I 3 I 4 = 0 (4) U 3 I 5 R 6 I 6 = 0 Csomóponti egyenletek: (5) I 1 I 2 + I 3 I 4 = 0 (6) I 3 + I 4 I 5 + I 6 = 0 Mátrixos formába rendezve az egyenleteket: I I I R 6 I 4 = I 5 [ ] [ I 6 ] [ U 1 0 U 2 U ] Írjuk be a megadott értékeket a paraméterek helyébe: 67

69 2, I I I I 4 = I 5 [ ] [ I 6 ] [ ] Látjuk, hogy az együttható mátrix főátlójában a 4. sorban nulla van, ezért cseréljük fel a 4. és az 5. sort és a Gauss elimináció elvégzéséhez a bővített mátrixot már így írjuk fel. Ezek után végezzük el a főátló alatti helyek kinullázását : 2, [ ] [ 2, ,5 2,5 2, ] 2, [ ] [ 2, ] 2, [ ] [ 2, ] z utolsó mátrix 6. sorából felírható: 24 I 6 = 154 I 6 = z 5. sorból: I 5 + I 6 = 8 68 = 6,4167 I 5 = 8 6,4167 = 1, sorból: 18 I I 5 = 70

70 I 4 = , sorból: 3 I I 4 = 40 I 3 = , sorból: 10 I I I 4 = 0 I 2 = = 2,833 = 7, , , z 1. sorból: 2,5 I I 2 = 25 I 1 = ,9667 2,5 = 2,9667 = 1,8667 z I 1 -re negatív értéket kaptunk, tehát az áram iránya az ábrába berajzolttal ellentétes. ( többi áram irányát jól vettük fel.) Megoldás a csomóponti potenciálok módszerével z előző ( ) megoldásnál láttuk, hogy az áramkörre két csomóponti egyenlet írható fel. Ez azt jelenti, hogy a csomóponti potenciálok módszerének alkalmazásával a hat ismeretlenes egyenletrendszer két ismeretlenesre egyszerűsödik. Így ennél a példánál valószínűleg ez a módszer adja a legegyszerűbb megoldást. U 2 U I 3 U U 1 I 1 I 4 I 6 R 6 I 2 I 5 U 3 U C =0 U C = ábra Jelöljük be a csomóponti potenciálokat! z alsó két csomópont azonos potenciálon van, válasszuk ennek az értékét 0-nak. 69