Základy elektrických obvodů

Přednášející:

Pavel Máša (gar.)

Cvičící:

Pavel Máša (gar.), Lukáš Bauer, Petr Boreš, Martin Dobiáš, Milan Kostílek, Josef Vavřina

Předmět zajišťuje:

katedra teorie obvodů

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.

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)

Osnova 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.

Osnova 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. 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.

3. Théveninův a Nortonův teorém, využití ekvivalence zdrojů, zatížené děliče napětí a proudu. Princip superpozice. Řešení odporových obvodů pomocí elementárních metod.

4. Sériové a paralelní řazení reálných zdrojů napětí a proudu. Výkon spotřebovávaný rezistorem, výkon dodávaný zdrojem, výkonové přizpůsobení.

5. Metoda uzlových napětí, metoda smyčkových proudů. Vstupní a výstupní odpor obvodu (pro obvody bez i s řízenými zdroji).

6. Fázory harmonických veličin, impedance a admitance pasivních prvků v HUS. Elementární obvody v HUS, jednoduché RC a RL články (integrační, derivační).

7. Fázorové diagramy. Výkony v HUS (činný, jalový a zdánlivý výkon, účiník), výkonové přizpůsobení. Obvodové rovnice v HUS.

8. Frekvenční charakteristiky jednoduchých RC a RL článků (integrační, derivační). Oblast přibližné integrace resp. derivace harmonického signálu, PWM. Frekvenční charakteristiky složitějších obvodů.

9. Rezonance, rezonanční obvody. Vztah napětí a proudu na akumulačních prvcích (L a C). Kapacitor napájený konstantním proudem, induktor napájený konstantním napětím.

10. Přechodné děje 1. řádu v obvodech se stejnosměrnými zdroji, v obvodech s harmonickými zdroji.

11. Přechodné děje 2. řádu v RLC obvodech se stejnosměrnými zdroji (aperiodická odezva, tlumené kmity).

12. Řešení obvodů pomocí Laplaceovy transformace, přechodné děje, impulzní buzení.

13. Rezerva, zápočet.

Cíle studia:

Studijní materiály:

[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

Poznámka:

Rozsah výuky v kombinované formě studia: 14p+6s

Další informace:

http://moodle.kme.fel.cvut.cz

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út	místnost T2:A3-413a 07:30–09:00 (přednášková par. 1 paralelka 101) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Dobiáš M. 09:15–10:45 (přednášková par. 1 paralelka 102) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Dobiáš M. 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 103) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a 12:45–14:15 (přednášková par. 1 paralelka 104) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a 14:30–16:00 (přednášková par. 1 paralelka 105) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a 16:15–17:45 (přednášková par. 1 paralelka 106) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a 18:00–19:30 (přednášková par. 1 paralelka 107) Dejvice Laborator K413A
St	místnost T2:A3-413a 07:30–09:00 (přednášková par. 1 paralelka 108) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Bauer L. 09:15–10:45 (přednášková par. 1 paralelka 109) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Bauer L. 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 110) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:D3-209 Máša P. 18:00–19:30 (přednášková par. 1) Dejvice Posluchárna
Čt	místnost T2:A3-413a 07:30–09:00 (přednášková par. 1 paralelka 111) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Boreš P. 09:15–10:45 (přednášková par. 1 paralelka 112) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Boreš P. 11:00–12:30 (přednášková par. 1 paralelka 113) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a 12:45–14:15 (přednášková par. 1 paralelka 114) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Vavřina J. 14:30–16:00 (přednášková par. 1 paralelka 115) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Boreš P. 16:15–17:45 (přednášková par. 1 paralelka 116) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a Vavřina J. 18:00–19:30 (přednášková par. 1 paralelka 999) Dejvice Laborator K413A
Pá	místnost T2:A3-413a 12:45–14:15 (přednášková par. 1 paralelka 117) Dejvice Laborator K413Amístnost T2:A3-413a 14:30–16:00 (přednášková par. 1 paralelka 118) Dejvice Laborator K413A

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Komunikace, multimedia a elektronika - Komunikační technika (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - Multimediální technika (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - Aplikovaná elektronika (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - Síťové a informační technologie (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimedia a elektronika - před rozřazením do oborů (povinný předmět programu)
• Komunikace, multimédia a elektronika - Komunikace a elektronika (povinný předmět programu)