Řešení stacionárního ustáleného stavu v lineárních elektrických obvodech
Jiří Hospodka
> | restart; |
Příklad 1
Obvod na následujícím obrázku je zatížený odporový dělič napětí. Určete obecně vztah pro výstupní napětí a vykreslete jeho závislost na velikosti zatěžovacího odporu , je-li dáno: V, , . Dále určete obecné vztahy pro Theveninovo náhradní zapojení levé části obvodu ke svorkám A-B.
Nejprve určíme paralelní spojení odporů a .
> | Rp:=Rz*R2/(Rz+R2); |
Nyní již vztah pro výstupní napětí.
> | u2:=u1*Rp/(R1+Rp); |
Definujme zadané numerické hodnory součástek
> | hodn:={u1=10,R1=2000,R2=2000}; |
a dosaďme.
> | u2n:=normal(subs(hodn,u2)); |
Vypočtěme nejprve hodnotu výstupního napětí pro extrémní případy (naprázdno a nakrátko). Pak vykresleme požadovanou závislost.
> | limit(u2n,Rz=0); |
> | evalf(limit(u2n,Rz=infinity)); |
> | plot(u2n,Rz=500..5000,labels=["Rz","u3"]); |
> |
Prvky Theveninova náhradního schématu vypočteme podle definice, jako napětí naprázdno
> | ui:=limit(u2,Rz=infinity); |
a následně vnitřní odpor z proudu nakrátko.
> | iRz:=u2/Rz; |
> | ik:=limit(iRz,Rz=0); |
Výsledek je evidentní.
> | Ri:=ui/ik; |
> |
> |
Předchozí příklad byl spíše ilustrací, jelikož se jednalo skutečne o nejelementárnější zapojení. Teď využijme předchozí získané dovednosti při řešení o málo těžšího příkladu.
Příklad 2
> | restart; |
Pro následující zapojení určete obecně vztah pro výstupní napětí a vykreslete jeho závislost na velikosti zatěžovacího odporu , je-li dáno: V, , , a . Dále určete hodnoty prvků Theveninova náhradního zapojení levé části obvodu ke svorkám A-B.
Obvod nejprve popišme soustavou rovnic metodou uzlových napětí.
> | rv2:=u2/R3+(u2-u3)/R4+(u2-u1)/R2=0; |
> | rv3:=(u3-u2)/R4+(u3-u1)/R1+u3/Rz=0; |
Rovnice vyřešme.
> | res:=solve({rv2,rv3},{u2,u3}); |
Definujme zadané hodnoty
> | hodn:={u1=9,R1=10000,R2=1000,R3=3000,R4=1000}; |
a určeme výstupní napětí a proud.
> | u3n:=normal(subs(hodn,subs(res,u3))); |
> | iR3n:=u3n/Rz; |
Z nich již jednoduše hodnoty náhradního Theveninova schématu.
> | Ui:=limit(u3n,Rz=infinity); |
> | Ri:=Ui/limit(iR3n,Rz=0); |
Opět výpočet výstupního napětí pro extrémní případy (naprázdno a nakrátko) a následné vykreslení jeho závislosti na velikosti zatěžovacího odporu .
> | limit(u3n,Rz=0); |
> | evalf(limit(u3n,Rz=infinity)); |
> | plot(u3n,Rz=100..10000,labels=["Rz","u3"]); |
Vnitřní odpor lze jednoduše zkontrolovat.
Lze se přesvědčit, že výše uvedený výsledek byšel správně.
> | R23:=R2*R3/(R2+R3): |
> | kontrola_Ri:=(R23+R4)*R1/(R23+R4+R1): |
> | subs(hodn,%); |
Nyní proveďme stejný výpočet "ručně" - bez sestavování a řešení rovnic, ale využitím Theveninova theorému a principu superpozice, viz následující obrázky pro zjednodušení obvodu.
Výpočet potřebných proměnných
> | ui1:=u1*R3/(R2+R3): |
> | Ri1:=R4+R2*R3/(R2+R3): |
> | uic:=ui1*R1/(Ri1+R1)+u1*Ri1/(Ri1+R1): |
> | Ric:=R1*Ri1/(R1+Ri1): |
> | u3k:=uic*Rz/(Rz+Ric): |
a požadovaných hodnot. Je evidentní, že jsme počítali správně.
> | Ricn:=subs(hodn,Ric); |
> | u3kn:=normal(subs(hodn,u3k)); |
> |
> |