sus.mws

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 u[2]  a vykreslete jeho závislost na velikosti zatěžovacího odporu R[z] , je-li dáno: u[1] = 10  V, R[1] = 2000*Omega , R[2] = 2000*Omega . Dále určete obecné vztahy pro Theveninovo náhradní zapojení levé části obvodu ke svorkám A-B.

[Maple Bitmap]  

Nejprve určíme paralelní spojení odporů R[2]  a R[z] .

>    Rp:=Rz*R2/(Rz+R2);

Rp := Rz*R2/(Rz+R2)

Nyní již vztah pro výstupní napětí.  

>    u2:=u1*Rp/(R1+Rp);

u2 := u1*Rz*R2/(Rz+R2)/(R1+Rz*R2/(Rz+R2))

Definujme zadané numerické hodnory součástek

>    hodn:={u1=10,R1=2000,R2=2000};

hodn := {u1 = 10, R1 = 2000, R2 = 2000}

a dosaďme.

>    u2n:=normal(subs(hodn,u2));

u2n := 5*Rz/(Rz+1000)

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"]);

0

5.

[Maple Plot]

>   

Prvky Theveninova náhradního schématu vypočteme podle definice, jako napětí naprázdno

>    ui:=limit(u2,Rz=infinity);

ui := R2*u1/(R1+R2)

a následně vnitřní odpor z proudu nakrátko.

>    iRz:=u2/Rz;

>    ik:=limit(iRz,Rz=0);

iRz := u1*R2/(Rz+R2)/(R1+Rz*R2/(Rz+R2))

ik := u1/R1

Výsledek je evidentní.

>    Ri:=ui/ik;

Ri := R2/(R1+R2)*R1

>   

>   

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 u[3]  a vykreslete jeho závislost na velikosti zatěžovacího odporu R[z] , je-li dáno: u[1] = 9  V, R[1] = 10000*Omega , R[2] = 1000*Omega , R[3] = 3000*Omega  a R[4] = 1000*Omega . Dále určete hodnoty prvků Theveninova náhradního zapojení levé části obvodu ke svorkám A-B.

[Maple Bitmap]  

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;

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});

res := {u3 = Rz*u1*(R3*R1+R3*R2+R4*R2+R3*R4)/(R2*R1*Rz+R2*R4*Rz+R2*R4*R1+R3*R2*Rz+R3*R2*R1+R3*R1*Rz+R3*R4*Rz+R3*R4*R1), u2 = u1*R3*(R1*Rz+R2*Rz+R4*Rz+R4*R1)/(R2*R1*Rz+R2*R4*Rz+R2*R4*R1+R3*R2*Rz+R3*R2*R...
res := {u3 = Rz*u1*(R3*R1+R3*R2+R4*R2+R3*R4)/(R2*R1*Rz+R2*R4*Rz+R2*R4*R1+R3*R2*Rz+R3*R2*R1+R3*R1*Rz+R3*R4*Rz+R3*R4*R1), u2 = u1*R3*(R1*Rz+R2*Rz+R4*Rz+R4*R1)/(R2*R1*Rz+R2*R4*Rz+R2*R4*R1+R3*R2*Rz+R3*R2*R...

Definujme zadané hodnoty

>    hodn:={u1=9,R1=10000,R2=1000,R3=3000,R4=1000};

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;

u3n := 333*Rz/(47*Rz+70000)

iR3n := 333/(47*Rz+70000)

Z nich již jednoduše hodnoty náhradního Theveninova schématu.

>    Ui:=limit(u3n,Rz=infinity);

>    Ri:=Ui/limit(iR3n,Rz=0);

Ui := 333/47

Ri := 70000/47

Opět výpočet výstupního napětí pro extrémní případy (naprázdno a nakrátko) a následné vykreslení jeho závislosti na velikosti zatěžovacího odporu R[z] .

>    limit(u3n,Rz=0);

>    evalf(limit(u3n,Rz=infinity));

>    plot(u3n,Rz=100..10000,labels=["Rz","u3"]);

0

7.085106383

[Maple Plot]

Vnitřní odpor lze jednoduše zkontrolovat.

[Maple Bitmap]                         [Maple Bitmap]  

Lze se přesvědčit, že výše uvedený výsledek byšel správně.

>    R23:=R2*R3/(R2+R3):

>    kontrola_Ri:=(R23+R4)*R1/(R23+R4+R1):

>    subs(hodn,%);

70000/47

Nyní proveďme stejný výpočet "ručně" - bez sestavování a řešení rovnic, ale využitím Theveninova theorému a principu superpozice, viz následující obrázky pro zjednodušení obvodu.

[Maple Bitmap]            [Maple Bitmap]               [Maple Bitmap]   

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));

Ricn := 70000/47

u3kn := 333*Rz/(47*Rz+70000)

>   

>