Univerzális hálózatszámítási módszerek

Elektronika I

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2020 © CC BY 4.0,

Tartalom

A lecke két fontos hálózatszámítási módszert mutat be. A csomóponti potenciálok módszere és a hurokáramok módszere is könnyen, receptszerűen alkalmazható szinte bármilyen hálózatszámítási feladat megoldásához. Az alkalmazási példák segítenek megérteni az elméleti hátteret, a kapcsolási rajzok ábrái alatti linkeken azonnali on-line áramkörszimuláció is indítható. A kiemelten fontos, alapismereti részeket piros keret jelöli meg, ezek magabiztos tudása elengedhetetlen az elektronika egyetemi szintű ismeretéhez.

Tartalom

Olvasási idő: 30 perc

A fő cél receptszerű, megbízható módszerek megadása tetszőleges hálózat kiszámítására. A a hálózat adott, az alkatrészekhez (generátorok, passzív komponensek) tartozó mennyiségek ismertek, a feladat a csomópontokban mérhető, alkatrészeken eső feszültségek és az ágakban, alkatrészeken folyó áramok kiszámítása. A módszerek alkalmazása sok esetben a működés megértését is segíti.

A csomóponti potenciálok módszere

A csomóponti potenciálok módszere a legközvetlenebbül használja fel az áram és a feszültség additív tulajdonságát.

  1. Válasszuk ki az áramkör földpontját, amihez minden csomópont feszültségét viszonyítjuk.
  2. Minden csomóponthoz rendeljünk egy feszültséget, minden ághoz egy áramot.
  3. A csomópontokra alkalmazzuk a csomóponti törvényt. Egy csomópontot kihagyhatunk.
  4. Minden ágra írjunk fel egy egyenletet: az ág végpontjai közötti feszültségkülönbség egyenlő az alkatrészeken eső feszültségek összegével
    • ha az ágban áramgenerátor van: az egyenlet csak az áram értékadása.
  5. Az egyenletek megoldásával határozzuk meg a csomóponti feszültségeket és az ágáramokat.

Minden alkatrész kivezetése egy csomópontot jelent. A számoláskor elég azokat a csomópontokat figyelembe venni, amelyekbe legalább három vezeték fut be. A többinél nincs áramelágazás, így azokra nem szükséges a csomóponti törvényt felírni.

Az áramgenerátor esetét azért érdemes a fentieknek megfelelően kezelni, mert az áramgenerátoron eső feszültség ismeretlen, felhasználása nélkül is kapunk elegendő egyenletetet a csomóponti feszülségek és ágáramok kiszámításához.

Alkalmazási példák

Alkalmazási példa - hálózat földelt és lebegő generátorokkal

Az alábbi áramkörben földelt és lebegő generátorok is vannak, tudjuk, hogy a földelt pontok összekötöttnek tekindendők, és a csomóponti feszültségeket ehhez viszonyítjuk. A földelt generátoroknak csak egy kivetezését tüntetjük fel az áramkörön, a másik kivezetés a földpont.

Ennél az áramkörnél két csomópontra elegendő felírni a csomóponti egyenletet - ne felejtsük, hogy a harmadik csomópont a földelés! Az egyenlet bal oldalán a befolyó, a jobb oldalán a kifolyó áramok összegét vehetjük (más alakot is használhatunk természetesen):

Öt ágra írhatunk fel egyenletet. Pozitív egy generátor járuléka, ha a pozitív kivezetése a kiindulási csomópont felé esik. Pozitív egy ellenálláson eső feszültség járuléka, ha a rajta átfolyó áram a kiindulási csomópont felől folyik át rajta. Ezeknek megfelelően:

Az egyenletek megoldása

A sok egyenletet érdemes úgy lecsökkenteni, hogy az áramokat kifejezzük az ágak egyenleteiből, majd behelyettesítjük ezeket a csomóponti egyenletekbe. Előrször tehát az áramokra írjuk fel:

A csomóponti egyenletekbe helyettesítve két egyenletünk marad két ismeretlenre:

és

Rendezzük át az egyenleteket a szokásos kétismeretlenes egyenletrendszernek megfelelő formába:

és

Vektor-mártix alakban felírva:

Ezt az egyenletrendszert már egyszerűbben megoldhatjuk elterjedt módszerekkel.

Alkalmazási példa - hálózat földelési pont nélkül

Tudjuk, hogy ha nincs földelési pont, akkor a csomóponti feszültségek csak egymáshoz viszonyíthatók, így az egyenletek bal oldalán mindig két mennyiség szerepel, például:

Az ágak egyenletei ekkor:

A szükséges csomóponti egyenlet

Az egyenletek megoldása

Az egyenletek számának csökkentéséhez fejezzük ki az áramokat:

A csomóponti egyenletbe helyettesítve

Az ismeretlen a VA-VB feszültség, külön ezeknek nincs viszonyítási pontja. Ezért a végeredmény:

Alkalmazási példa - összetettebb áramkör

A következő példa összetettebb áramkör esetén mutatja be a módszer alkalmazását.

A csomóponti egyenletek:

Az ágak egyenletei a fentebbi elveknek megfelelően:

Az egyenletek megoldása

Az egyenletek számának csökkentéséhez először fejezzük ki az áramokat:

A csomóponti egyenletekbe helyettesítve három egyenlet marad:

Ismeretlenek szerint csoportosítva:

Vektor-mártix alakban felírva:

Ezt az egyenletrendszert már egyszerűbben megoldhatjuk elterjedt módszerekkel.

Alkalmazási példa - hálózat áramgenerátorral

Az alábbi áramkörben egy áramgenerátor is van.

A csomóponti egyenletek

Az ágak egyenletei, figyelembe véve, hogy a B csomópont földelt, azaz VB = 0 V:

Az egyenletek megoldása

Az egyenletek számának csökkentéséhez fejezzük ki az áramokat

A csomóponti egyenletbe helyettesítéssel

Átrendezve

Ebből az ismeretlen csomóponti feszültség már kiszámítható:

Csomóponti egyenletek alkalmazása csomóponti feszültségek kiszámítására

A csomóponti potenciálok módszerét alkalmazhatjuk egyszerűsítve úgy is, hogy az áramokat nem jelöljük, az ismeretlenek csak a csomóponti feszültségek. Továbbra is a csomóponti törvényt írjuk fel a csomópontokra, de az áramokat közvetlenül nem használjuk, a be- és kifolyó áramokat az Ohm-törvénnyel írjuk fel, figyelve a helyes áramirányra.

A módszer így foglalható össze egy csomópontra:

  • Az ágak végpontjai közötti feszültségkülönbség megegyezik az ágban lévő alkatrészeken eső feszültségek összegével. Ebből fejezzük ki az ágáramot minden egyes ágra, amelyik a csomópontba vezet.
  • Az áramokra írjuk fel a csomóponti törvényt.
Alkalmazási példa - három bemenetű feszültségosztó

Gyakran látható olyan áramköri részlet, amikor három feszültség csatlakozik egy pontra ellenállásokon keresztül:

A feladat a csomóponti feszültség kiszámítása. Írjuk fel a csomóponti törvényt a csomópontba befelé folyó ágáramok kifejezésével:

Átrendezéssel

VA-t kifejezve végül:

Alkalmazási példa - kettős feszültségosztó

Legyen a feladat Vout kiszámítása Vin függvényében az alábbi áramkörben. Ismertnek tételezzük fel a Vin feszültséget és az ellenállásértékeket.

Írjuk fel a csomóponti törvényt először az A csomópontra. Az áramokat közvetlenül nem jelöljük, hanem az Ohm-törvény felhasználásával az ellenálláson eső feszültség és az ellenállás hányadosával fejezzük ki, figyelve az irányra (jobbra, illetve lefelé folyó áramokat feltételezünk). Ennek megfelelően:

A kimeneti csomópontra:

Ebből VA kifejezhető Vout segítségével:

Az első egyenletben ezt felhasználva:

Szorozzuk meg mindkét oldalt R1-gyel

Átrendezéssel:

Végül:

Alkalmazási példa - hálózat földelt és lebegő generátorokkal

Alkalmazzuk a módszert ugyanarra az összetettebb áramkörre, amit a csomóponti potenciálok módszerénél már láttunk.

Először írjuk fel az A csomópontra a csomóponti törvényt:

Az R1 és R2 ellenállásokat tartalmazó áramok felírása egyszerű, de az A és B csomópontokat összekötő ágnál már jobban kell figyelni. Mivel az ág egyenlete szerint

láthatjuk, hogy VG2 az áram kifejezésében az egyenlet bal oldalára áttéve pozitív előjellel kerül be. Úgy is indokolhatjuk ezt, hogy a VA-VB feszültségből le kell vonni az ágban levő generátor feszültségét ahhoz, hogy megkapjuk az ellenállásokon eső feszültségkomponenst. Mivel a generátor így negatív járulákot ad VA-VB-hez, levonva a negatív értéket a járulék pozitív lesz.

A B csomópontra az egyenlet:

Két egyenletünk van tehát csak, amiből a két ismeretlen csomóponti feszültség kiszámítható. Összevetve az előző megoldással összetettebb, de lényegesen kevesebb egyenletünk van.

Az egyenleteket átrendezhetjük jobban kezelhető formába. Az A csomópontra:

A B csomópontra:

Ezekkel végül az alábbi két egyenlethez jutunk, ami a szokásos formában adja meg a kétismeretlenes egyenletrendszert:

és

Vektor-mártix alakban felírva:

Ezt az egyenletrendszert már egyszerűbben megoldhatjuk elterjedt módszerekkel.

Alkalmazási példa - kettős T áramkör

Legyen a feladat Vout kiszámítása Vin függvényében az alábbi áramkörben. Ismertnek tételezzük fel a Vin feszültséget és az ellenállásértékeket.

Ehhez írjuk fel a csomóponti törvényt először a V1 feszültségű csomópontra. Az áramokat közvetlenül nem jelöljük, hanem az Ohm-törvény felhasználásával az ellenálláson eső feszültség és az ellenállás hányadosával fejezzük ki, természetesen figyelve az irányra. Ennek megfelelően:

A V2 feszültségű csomópont esetén:

Végül a Vout feszültségű csomópontra:

Ezzel van három egyenlet a három ismeretlen mennyiségre. Ez az alapvető része az áramkör kiszámításának, ehhez szükséges az elektronika ismerete, a továbbiakban az egyenletek megoldása marad hátra.

Vout-ot kifejezve az utolsó egyenletből:

Az első két egyenletből kifejezhető V1

és V2

Ezeket behelyettesítve megkapjuk Vout és Vin kapcsolatát.

Végül

Példa ennek a számításnak az alkalmazására a kettős-T szűrő átviteli függvényének levezetése.

Csomóponti egyenletek mátrix-vektor alakban - vezetésmátrix módszer

A csomóponti potenciálok módszerének legtömörebb változata esetén közvetlenül írjuk fel az ismeretlen csomóponti feszültségek együtthatóit és az egyenlet ismert oldalát. Az ágáramokat nem kell felvennünk, az irányításukkal sem kell foglalkoznunk. Az alábbi egyenletekhez jutunk vektor-mátrix alakban:

Ez a módszer ritkábban használatos, fő előnye az, hogy könnyebben algoritmizálható.

Részletes ismertetés

A következő eljárás alapján írjuk fel a vektorok és a mátrix elemeit:

Az áramvektor meghatározásához minden szükséges csomópontra hajtsuk végre az alábbi műveleteket:

  • A csomópontba futó minden egyes ágra határozzuk meg az ágban levő generátorok áramjárulékát:
    • Ha egy adott ágban nincs áramgenerátor, akkor az áramjárulék a következő két mennyiség hányadosa:
      • Generátorfeszültség: az ágban levő generátorok feszültségeinek előjelhelyes összege. Akkor pozitív egy generátor járuléka, ha a pozitívabb kivezetése esik a csomópont felé.
      • Ágellenállás: az adott ágban levő ellenállások eredője az ág végpontjai között mérve 0 V generátorfeszültségek esetén.
    • Ha az ágban áramgenerátor van, akkor az áramjárulék az áramgenerátor árama. Pozitívnak akkor vesszük az előjelet, ha az áram a csomópont felé folyik.
  • Az áramvektor adott csomóponthoz tartozó eleme ezeknek az áramkomponenseknek az összege.

A vezetésmátrix meghatározása:

  • Ykk: a k-adik csomópontba futó ágak végpontjai között mérhető ellenállások reciprokainak összege zérus generátorértékek esetén. Az előjele mindig pozitív.
  • Ykj: ha a k-adik és j-edik csomópont szomszédos, akkor értéke az ágellenállás reciprokának -1-szerese, ellenkező esetben zérus. Megállapíthatjuk, hogy Ykj = Yjk, így elég ezeknek a komponenseknek a felét meghatározni.
  • Mivel zérus áramgenerátorérték szakadásnak felel meg, az áramgenerátort tartalmazó ágban levő ellenállásokat figyelmen kívül kell hagyni, az ágellenállás reciproka ezekre az ágakra zérus.

A feszültségvektor komponensei az ismeretlen csomóponti feszültségek.

Az egyenletek megoldásával megkapjuk a csomóponti feszültségeket, melyekből szükség esetén kiszámíthatjuk az ágakban folyó áramokat is.

Alkalmazási példa

A következő példa összetettebb áramkör esetén mutatja be a módszer alkalmazását.

Először válasszuk ki az A csomópontot! Ehhez három ág tartozik, de generátor csak az egyik ágban van. Pozitív kivezetése a csomópont felé esik, az ágban csak egy ellenállás van, így az áramvektor első komponense:

Hasonlóan kapjuk meg a B és C csomóponthoz tartozó áramvektor-komponenseket:

A vezetésmátrix első sora az A csomópontot a többi csomóponttal összekötő ágakban levő ellenállások ismeretében adható meg. Az első Y11 diagonális, ez a három ágellenállás reciprokainak összege:

A sor maradék két eleme a B és C csomópontba vezető ágellenállások reciprokának -1-szerese:

Ezt az elvet követve végül megkapjuk a végeredményt:

Láthatjuk, hogy ez megegyezik azzal, amit fentebb kaptunk ugyanerre az áramkörre, de jóval kevesebb lépésre volt szükség, az ágáramokat sem kellett felvennünk.

Alkalmazási példa - hálózat áramgenerátorral

Az alábbi áramkör áramgenerátort, lebegő és földfüggő feszültséggenerátort is tartalmaz:

Két csomópontra kell egyenletet felírnunk. Az A csomóponthoz három ág tartozik. Egyben van feszültséggenerátor (VG1), aminek járulékát negatív előjellel kell vennünk, mivel a pozitív kivezetése nem az A csomópont felé esik. Ezt oszatni az ágban levő két ellenállás eredőjével, azaz összegével kell. Ezzel:

A B csomóponthoz is három ág kapcsolódik, kettőben is van generátor. A V1 feszültség járuléka pozitív, mivel a földponthoz képest értendő pozitívabb feszültsége a csomópont felé esik. Az áramgenerátor járuléka is pozitív, mivel az árama a csomópont felé folyik. Ezért:

A mátrixelemek meghatározása a leírt eljárás szerint végezhető el, arra ügyelve, hogy a generátorokat az ágellenállások számításakor zérus értékűnek választjuk. Ennek megfelelően az áramgenerátor ágában levő R4 ellenállásnak nincs hatása. Végül:

Hurokáramok módszere

A módszer a huroktörvény alkalmazását jelenti egy speciális formában.

A huroktörvény alkalmazása ágáramok használatával

Mielőtt megadnánk a módszer leírását, nézzünk először egy egyszerű példát a huroktörvény közvetlen használatára.

Az áramkörben az alkatrészek értékei adottak, nem ismerjük az ágakban folyó áramokat és a csomóponti feszültségeket. Ha a három ágáramot ki tudjuk számítani, akkor ezekből a csomóponti feszültségek is meghatározhatók. A szürke szaggatott vonalak három lehetséges áramköri hurkot jelölnek, melyekre felírhatjuk a huroktörvénynek megfelelő egyenleteket. A körüljárási irányt mindhárom huroknál az óramutató járásának megfelelően választjuk meg.

A bal oldali huroknál a generátor járuléka pozitív, mivel a választott körüljárási iránynak megfelelő áramot hozna létre. Az ágáramok az ellenállásokon akkor adnak pozitív járulékot, ha a körüljárási irányban folynak. Ennek megfelelően:

A jobb oldali huroknál a generátor járuléka negatív, mivel a választott körüljárási iránnyal ellentétes áramot hozna létre.

A külső hurokhoz tartozó egyenlet:

Láthatjuk, hogy a három egyenlet nem független, a harmadik az előző kettő összege, tehát elég két hurok is a megoldáshoz. Szükséges még a csomóponti törvény használata is, mivel három ismeretlen áramot kell meghatározni.

A hurokáramok módszere: számítás hurokáramokkal

Jelentősen egyszerűsíthető a számítás, csökkenthető az egyenletek száma is, ha bevezetjük a hurokáramokat. Lényegében minden egyes hurokhoz egy fiktív áramot rendelünk, a tényleges áramok ezek kombinációjából adódnak:

  • Ha egy alkatrész egyetlen hurokhoz tartozik, az hurokáram és az alkatrészáram nagysága megegyezik. Az előjelük azonos, ha azonos az irányuk.
  • Ha egy alkatrész több hurokhoz tartozik, akkor a rajta átfolyó tényleges áram megegyezik a rajta átfolyó hurokáramok előjelhelyes összegével. Az alkatrészáramhoz pozitív járuékot az a hurokáram ad, melynek iránya megegyezik az alkatrészáraméval.

A hurokáramokat kisbetűvel jelöljük, hogy az ágáramoktól könnyebben megkülönböztethetők legyenek. Használatukkal kapjuk meg végül a hurokáramok módszerének lépéseit:

  1. Válasszuk ki az áramkörben a zárt hurkokat az alábbiaknak megfelelően:
    • Minden alkatrész legyen valamelyik hurokban, minden hurokban legyen legalább egy alkatrész, ami nincs másik hurokban.
    • Ekkor a kapott egyenletek függetlenek lesznek, azaz egyik egyenlet sem lesz kifejezhető a többi egyenlet lineáris kombinációjaként és elegendő számú egyenletünk lesz.
    • A legcélszerűbb olyan hurkokat felvenni, amelyek nem tartalmaznak más hurkokat és lefedik az áramkört. Ekkor teljesülnek a fentebbi feltételek.
    • Áramgenerátorok mindig csak egy hurokhoz tartozzanak.
  2. Vegyük fel minden hurok esetén a körüljárási irányt és az ennek megfelelő hurokáramot.
  3. Minden hurokra írjuk fel a huroktörvényt a következő alakban:
    • Ha a hurok nem tartalmaz áramgenerátort:
      • Az egyenlet bal oldalára a hurokhoz tartozó generátorok feszültségeinek összegét írjuk. Egy adott generátor járuléka pozitív, ha körüljárási iránynak megfelelő áramkomponenst hoz létre.
      • Az egyenlet jobb oldalán az összes hurokáramok ellenállásokkal súlyozott összege szerepel.
        • A saját hurokhoz tartozó hurokáramot a hurokhoz tartozó összes ellenállás összegével szorozzuk meg.
        • Más hurokhoz tartozó hurokáramot a mindkét hurokhoz tartozó ellenállások összegével szorozzuk meg. Az előjel pozitív, ha a közös ellenálláson a két hurokáram azonos irányban folyik át.
    • Ha a hurok tartalmaz áramgenerátort:
      • Az egyenlet a hurokáram értékadása. A hurokáram megegyezik az áramgenerátor áramával, előjele ellentétes, ha irányuk nem egyezik meg.

Az egyenletek megoldásával kiszámíthatjuk a hurokáramokat, ezek előjelhelyes összegzésével megkaphatjuk az ágáramokat. A csomóponti feszültségeket az ágáramok felhasználásával számíthatjuk ki.

Az áramgenerátor esetét azért érdemes a fentieknek megfelelően kezelni, mert az áramgenerátoron eső feszültség ismeretlen, így kapunk kevesebb és egyszerűbb egyenleteket.

Alkalmazási példa

Az alábbi áramkörben hat ágáram van, ezek kiszámításához tehát hat egyenletet írhatunk fel, amihez további három csomóponti egyenlet is szükséges. A hurokáramok bevezetésével elegendő három összetettebb egyenletet megoldani.

A hurokegyenletek

Az ágáramokat egyszerűen megkaphatjuk a hurokáramok felhasználásával:

Alkalmazási példa: áramgenerátort tartalmazó hálózat

Nézzünk egy példát arra az esetre is, amikor áramgenerátor is van az áramkörben.

A hurkokat úgy kell felvennünk, hogy az áramgenerátor csak egy hurokhoz tartozzon, így az első hurok az áramkör külső részén megy körbe. Az első hurok egyenlete így:

A második hurokra vonatkozó egyenlet csak egy egyszerű értékadás:

Az előjel pozitív, mert a hurokáram irányítása megegyezik az áramgenerátor áramirányával.

Feltűnhet, hogy R3 nem szerepel az egyenletekben. Természetesen szükség lesz rá, ha meg akarjuk határozni a rajta vagy az áramgenerátoron eső feszültséget.

Hurokáramok egyenletei mátrix-vektor alakban - ellenállásmátrix-módszer

Az ellenállásmátrix-módszer a hurokáramok módszerének egy változata, amikor az egyenleteket közvetlenül mátrix és vektorok segítségével írjuk fel:

A vektor- és mátrixelemeket a következőképp kapjuk meg:

  • A feszültségvektor k-adik eleme a k-adik hurokhoz tartozó generátorfeszültségek előjelhelyes összege. Pozitív egy generátor járuléka, ha az irányításnak megfelelő áramkomponenst hoz létre.
  • Az áramvektor k-adik komponense a k-adik hurokhoz tartozó hurokáram.
  • Rkk a k-adik hurokhoz tartozó ellenállásértékek összege, az előjele mindig pozitív.
  • Rkj a k-adik és j-edik hurokhoz tartozó ellenállásértékek előjeles összege. Pozitív előjellel az az ellenállás kerül be, amelyen a k-adik és j-edik hurokáram azonos irányban folyik át.
  • Ha a k-adik hurokban áramgenerátor van (a hurkokat úgy kell felvenni, hogy más hurokhoz ne tartozzon), akkor az egyenlet egyszerűen a hurokáram értékadása. Ennek megfelelően:
    • a feszültségvektor k-adik eleme az áramgenerátor árama szorozva egységnyi ellenállással (Ru), pozitív előjellel, ha az iránya megegyezik a hurokáraméval
    • Rkk értéke az egységnyi ellenállás
    • Rkj értékét vegyük 0-nak

Jegyezzük meg, hogy áramgenerátor esetén az egységnyi ellenállás használata biztosítja azt, hogy az egyenletek dimenzionálisan egymásnak megfelelők legyenek. Szimbolikusan

ahol Ru az egységnyi ellenállás. Numerikus értéke 1, ha az áram és feszültség is az ajánlott SI egységekben van.

Eredő ellenállás számolása ellenállásmátrix-módszerrel

Az ellenállásmátrix-módszer különösen alkalmas ellenálláshálózatok eredő ellenállásának kiszámítására, ha a hurokáramokat célaszerűen indexeljük. Az ellenálláshálózat két kivezetésére egy feszültséggenerátort kötünk, így egy új hurok jön létre, ami a célszerűen a legnagyobb indexű. Erre az áramkörre alkalmazhatjuk a módszert, kiszámítjuk a generátort tartalmazó hurokban folyó hurokáramot, ami megegyezik az ellenálláshálózat két kivezetése között folyó árammal. Az eredő ellenállás tehát megegyezik a generátorfeszültség és a hozzá tartozó hurokáram hányadosával.

Alkalmazási példa

A feladat legyen a következő ellenálláshálózat eredő ellenállásának kiszámítása:

Adjuk hozzá a generátort és használjuk az ellenállásmátrix-módszert:

Az eredő ellenállást a VG/i5 adja meg.

A feszültségvektor komponenseit egyszerűen megkaphatjuk a fentebb ismertetett elveket követve. Csak az 5. hurokban van generátor, így a többi komponens 0.

Az ellenállásmátrixot is könnyen megkapjuk:

Az egyenletrendszert Gauss-eliminációval célszerű megoldani. Ezzel elérhetjük, hogy a mátrix utolsó sorában csak az utolsó oszlopban legyen nullától különböző érték. Ez éppen az eredő ellenállás lesz, mivel a feszültségvektor utolsó eleme a generátor feszültsége.

Ajánlások

Elektronika I

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2020 © CC BY 4.0,

Jelen tananyag a Szegedi Tudományegyetemen készült az Európai Unió támogatásával. Projektazonosító: EFOP-3.4.3-16-2016-00014