Základy elektrických obvodů

B162 - Letní 16/17

Základy elektrických obvodů - A2B31ZEO

Kredity 5
Semestry letní
Zakončení zápočet a zkouška
Jazyk výuky čeština
Rozsah výuky 2P+2S
Anotace
Předmět popisuje základní metody analýzy elektrických obvodů. V úvodní části je vysvětlen rozdíl mezi elektrickým zařízením, resp. skutečným elektrickým obvodem a jeho modelem. Dále jsou definovány základní aktivní a pasivní obvodové prvky a základní obvodové veličiny. V následujících přednáškách se studenti seznámí s důležitými obvodovými teorémy a metodami analýzy obvodů ve stacionárním a v harmonickém ustáleném stavu i během přechodných dějů vyvolaných změnami v obvodu. Poslední přednášky jsou pak věnovány využitím Laplaceovy transformace při analýze elektrických obvodů. Semináře jsou zaměřeny na procvičení nabytých vědomostí při analýze základních elektrických obvodů, doplněné simulacemi a jednoduchým měřením. \\Výsledek studentské ankety předmětu je zde: http://www.fel.cvut.cz/anketa/aktualni/courses/A2B31ZEO
Cíle studia
Žádná data.
Osnovy přednášek
1. Elektrické zařízení a jeho obvodový model. Obvodové veličiny (elektrický náboj, napětí, proud, výkon), charakteristické hodnoty. Znaménkové konvence, základní topologické pojmy (uzel a smyčka). Základní pasivní a aktivní ideální obvodové prvky, Ohmův zákon.
2. Základní zákony a teorémy (Kirchhoffovy zákony, Théveninův a Nortonův teorém, princip superpozice), příklady použití (ekvivalence obvodových prvků, dělič napětí a dělič proudu, reálné zdroje).
3. Postupy a metody analýzy elektrických obvodů. Elementární metody analýzy lineárních odporových obvodů. Obvody s jedním a s více nezávislými zdroji. Využití ekvivalence zdrojů pro analýzu obvodů, zatěžovací přímka.
4. Výkon a výkonové přizpůsobení v odporových obvodech. Provozní stavy elektrických obvodů (přechodný děj, ustálený stav). Stacionární ustálený stav (SUS), model obvodu pro SUS. Obecné metody analýzy odporových obvodů (obvodové rovnice) - metoda uzlových napětí.
5. Obecné metody analýzy odporových obvodů - obvodové rovnice (metoda smyčkových proudů, topologie obvodu). Porovnání základních metod analýzy - příklady.
6. Harmonický ustálený stav (HUS), vyjádření harmonických průběhů pomocí fázorů, popis pasivních prvků (impedance, admitance). Fázorové diagramy.
7. Elementární a obecné metody analýzy obvodů v HUS. Výkon, výkonové přizpůsobení v HUS.
8. Kmitočtová závislost obvodových funkcí (impedance, admitance, přenos). Frekvenční charakteristiky obvodů, grafické znázornění a aproximace.
9. Rezonance, rezonanční obvody a jejich frekvenční charakteristiky. Obvodové rovnice v časové oblasti pro lineární obvody s akumulačními prvky.
10. Přechodné děje v elektrických obvodech. Přechodné děje 1. řádu v obvodech se stejnosměrným buzením.
11. Přechodné děje 2. řádu se stejnosměrným buzením (aperiodická odezva, tlumené kmity), základní kmitavé RLC obvody.
12. Přechodné děje s harmonickým buzením. Použití Laplaceovy transformace pro řešení obvodů (analýza přech. dějů v operátorové oblasti).
13. Buzení jednorázovými impulzy. Souvislost popisu a chování obvodů v časové a frekvenční oblasti. Ustálený stav v lin. obvodech při periodickém neharmonickém buzení.
Osnovy cvičení
1. Úvod. Elektrický obvod, elektrické napětí a proud, zdroje a spotřebiče elektrické energie, fyzikální analogie elektrického obvodu.
2. Obvodové veličiny a jejich charakteristické hodnoty.
3. Pasivní a aktivní obvodové prvky, Ohmův zákon, elektrický obvod. Kirchhoffovy zákony. Sériové a paralelní řazení rezistorů (společný proud resp. společné napětí), nezatížené děliče napětí a proudu. Řazení ideálních zdrojů napětí a proudu.
4. Théveninův a Nortonův teorém, využití ekvivalence zdrojů, zatížené děliče napětí a proudu. Princip superpozice. Řešení odporových obvodů pomocí elementárních metod.
5. Sériové a paralelní řazení reálných zdrojů napětí a proudu. Výkon spotřebovávaný rezistorem, výkon dodávaný zdrojem, výkonové přizpůsobení.
6. Metoda uzlových napětí, metoda smyčkových proudů. Vstupní a výstupní odpor obvodu (pro obvody bez i s řízenými zdroji).
7. Fázory harmonických veličin, impedance a admitance pasivních prvků v HUS. Elementární obvody v HUS, jednoduché RC a RL články (integrační, derivační).
8. Fázorové diagramy. Výkony v HUS (činný, jalový a zdánlivý výkon, účiník), výkonové přizpůsobení. Obvodové rovnice v HUS.
9. Frekvenční charakteristiky jednoduchých RC a RL článků (integrační, derivační). Oblast přibližné integrace resp. derivace harmonického signálu, PWM. Frekvenční charakteristiky složitějších obvodů.
10. Rezonance, rezonanční obvody. Vztah napětí a proudu na akumulačních prvcích (L a C). Kapacitor napájený konstantním proudem, induktor napájený konstantním napětím.
11. Přechodné děje 1. řádu v obvodech se stejnosměrnými zdroji, v obvodech s harmonickými zdroji.
12. Přechodné děje 2. řádu v RLC obvodech se stejnosměrnými zdroji (aperiodická odezva, tlumené kmity).
13. Řešení obvodů pomocí Laplaceovy transformace, přechodné děje, impulzní buzení. Zápočet.
Literatura
[1] Blány k přednáškám a soubory příkladů dostupné na stránkách předmětu na výukovém portálu MOODLE (https://moodle.kme.fel.cvut.cz/moodle/login/index.php?lang=cs)
[2] Havlíček V., Pokorný M., Zemánek I.: Elektrické obvody 1, 1. vyd., Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2005, ISBN 80-01-03299-X
[3] Havlíček V., Zemánek I.: Elektrické obvody 2, 1 vyd., Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2008, ISBN 978-80-01-03971-7.
Nepovinná literatura pro rozšíření znalostí:
[4] Irwin, J. D., Nelms R. M.: Basic engineering circuit analysis: / 9th ed., Wiley, 2008, ISBN 0470128690
[5] Floyd T. L.: Principles of Electric Circuits, Conventional Current Version, 8th ed., Pearsen Prentice Hall, ISBN 0-13-170179-7
[6] Alexander Ch. K., Sadiku M., N. O.: Fundamentals of Electric Circuits, 3rd ed., Mc Graw Hill, ISBN: 978-0-07-297718-9
Požadavky
Z matematiky musí student znát komplexní čísla, základní integrály a derivace a základy Laplaceovy transformace. Student by měl být dále schopen řešit soustavy rovnic.
Podmínky absolvování a podrobnější informace k průběhu výuky (zejména organizace kontrolních testů a bodování prezentací v průběhu semestru) jsou dostupné na výukovém portálu MOODLE. (https://moodle.kme.fel.cvut.cz/moodle/login/index.php?lang=cs)