![]() |
![]() |
|
|
||
![]() |
![]() |
|
|||||||||||||||||||
Elõzõ tanulmányokból a komplex számok és a velük kapcsolatos alapvetõ mûveletek már ismertek, azonban a könnyebb eligazodás kedvéért ezen bevezetõ részben összefoglaljuk ezeket. A 13. ábrán a komplex számsík látható.
13. ábra
Egy komplex szám megadható a (4.22) összefüggésekkel:
|
|
ahol, ,
a komplex szám valós
része,
a komplex szám
képzetes (imaginárius) része,
a komplex szám
modulusza és
a fázisa. A fázis
(fázisszög), elõjellel rendelkezõ mennyiség, vonatkoztatása a pozitív valós
tengelyhez történi, irányítása megegyezik a trigonometriai iránnyal (a 13. ábrán
látható
fázis pozitív). A (4.22)
összefüggés jobb oldalát az Euler-képlettel kifejthetjük és kapjuk a következõ
összefüggést,
|
|
tehát a komplex
szám valós része () és az imaginárius része (
) is megadható a modulusza és a fázisa függvényében.
Az alábbiakban felsorolunk néhány tulajdonságot és mûveletet:
- a komplex szám konjugáltja: ,
- komplex számok összeadása: ,
- komplex számok kivonása: ,
- komplex számok szorzása: ,
- komplex szám négyzete: a komplex számnak
saját konjugáltjával való szorzását jelenti: ,
- komplex számok osztása: komplex szám 727c25h ok osztásánál a számlálót és a nevezõt is szorozzuk a nevezõ komplex konjugáltjával és addig alakítjuk az összefüggést, amíg megfelelõ alakra hozzuk:
.
A komplex számok használata nagyon elõnyös a váltakozó áram és a váltakozó áramú áramkörök tárgyalásnál, mivel a komplex számokkal nagyon könnyen lehet kezelni az olyan mennyiségeket, amelyek nincsenek fázisban egymással.
Amint azt az 1.6. pontban már
bemutattuk, a váltakozó áramot/feszültséget idõben szinusz vagy koszinusz
függvénnyel írhatjuk le. A két függvény között mindössze -es fáziskülönbség van. A komplex tárgyalásmód formális
jellegû, természetesen az áramkörökben nem keringnek komplex áramok és az
áramköri elemek sarkain nem komplex feszültségek jelennek, meg, azonban
formálisan áttérhetünk ilyen mennyiségekre, amelyek számításainkat
megkönnyítik, majd a kívánt eredmény elérése után visszatérünk a valós idõbeli
lírásra. Tekintsünk egy az 1.6.1. pontban lévõ lírásnál használt szinuszos
pillanatnyi értékkel rendelkezõ feszültséget,
. Definíció szerint a komplex pillanatnyi feszültséget a
következõ összefüggéssel határozzuk meg:
. Ebbõl az összefüggésbõl a visszatérést a valós idõbeli
leíráshoz a következõ (Euler-képletre alapuló) összefüggés biztosítja:
Hasonlóképpen
definiálhatjuk az áramkörben folyó komplex áramot is. Legyen az áram
pillanatnyi értéke (általában nincs
fázisban a feszültséggel), tehát a komplex pillanatnyi érték
.
A
fentiekben definiált komplex mennyiségeknél néhány pontosítást kell tennünk. A
komplex pillanatnyi értékek felírhatók egy idõtõl független tag, melyet komplex
amplitúdónak nevezünk, és egy idõtõl függõ tag szorzataként. Pl. a pillanatnyi
komplex feszültség: . Itt az
mennyiség a komplex
amplitúdó, melyet az
összefüggés definiál.
A komplex mennyiségeket gyûjtõnéven
fazoroknak nevezzük és 13. ábrának megfelelõen a komplex számsíkban ábrázoljuk.
Példaként ábrázoljuk a fentiekben bevezetett komplex pillanatnyi feszültséget
és áramot, feltételezve, hogy feszültség siet az áramhoz képest, tehát .
14. ábra
A 14. ábrának megfelelõen a komplex
pillanatnyi feszültség és áram olyan fazorok, amelyek a szögsebességgel
forognak és egymáshoz képest a fáziskülönbségük állandó,
értékkel rendelkezik. Ugyanígy
ábrázolhatjuk a komplex amplitúdókat is, melyek a komplex számsíkban állandó
helyzetben vannak. Természetesen a valós mennyiségekhez hasonlóan a komplex
mennyiségeknél is definiálhatjuk az effektív értékeket. Pl. a feszültség
komplex effektív értéke
.
A komplex alakban felírt feszültség és áram között az eddigiekben már megismert Ohm-törvény a továbbiakban is érvényes marad. A feszültség és az áram aránya megadja az illetõ áramköri elem komplex látszólagos ellenállását, más néven impedanciáját, melyet a (4.24) összefüggéssel definiálunk.
|
|
ahol, a valós impedancia és
az impedancia
fázisszög.
A (4.24) összefüggésben látszik, hogy a komplex impedancia magába foglalja az áramköri elem látszólagos ellenállást (impedanciáját) és a feszültség és az áram között kialakuló fáziseltolást is. Ahhoz, hogy egy összetett váltakozó áramú áramkört tanulmányozhassunk, elsõdlegesen szükségünk van az egyszerû váltakozó áramú ellenállások komplex ellenállásainak ismeretére. A továbbiakban ezeket határozzuk meg, figyelembe véve a 2.3. pontban leírt ismereteket. A (4.24) összefüggést átírhatjuk a következõ alakba is:
|
|
ahol, a hatásos ellenállás
és
a reaktív ellenállás
(reaktancia),
és
.
a.) Ellenállás
Megállapítottuk, hogy az ohmos
ellenállás nem okoz fáziskülönbséget a feszültség és az áram között, így a (4.24)
összefüggésben lévõ fáziseltolás értéke ellenállás esetére , tehát,
|
|
ami azt jelenti, hogy az ellenállás komplex impedanciája nem más, mint a valós ellenállása.
b.) Tekercs
Megállapítottuk, hogy egy ideális
tekercsen a feszültség -vel siet fázisban az áramhoz képest, így a (4.24)
összefüggésben lévõ fáziseltolás értéke
, tehát,
|
|
c.) Kondenzátor
Megállapítottuk,
hogy egy ideális tekercsen a feszültség -vel késik fázisban az áramhoz képest, így a (4.24)
összefüggésben lévõ fáziseltolás értéke
, tehát,
|
|
A komplex impedancia fordított értékét komplex admittanciának nevezzük és a (4.29) összefüggéssel definiáljuk,
|
|
ahol, a valós admittancia és
az admittancia fázisszög,
a valós vezetés
(konduktancia) és
a látszólagos vezetés
(szuszceptancia),
és
.
a.) Ellenállás
A (4.29) összefüggésben az
ellenállás admittancia fáziskülönbség , tehát
|
|
ami azt jelenti, hogy az ellenállás komplex admittanciája nem más, mint a vezetõképessége.
b.) Tekercs
Tekercs esetében az admittancia
fáziskülönbség , így (4.29)-ból a tekercs komplex admittanciája,
|
|
c.) Kondenzátor
Kondenzátor esetében az admittancia
fáziskülönbség , így (4.29)-ból a kondenzátor komplex admittanciája,
|
|
Az elõzõ pontokban azt láttuk, hogy miként alkalmazzuk az Ohm-törvényt a váltakozó áramú ellenállásokra. Az összetett áramköröket a váltakozó áramú ellenállások és a váltakozó áramú áramforrások különbözõ kapcsolásaival állítjuk össze. Átírva a mennyiségeket komplex alakba, ugyanúgy alkalmazhatjuk a Kirchhoff-törvényeket, mint az egyenáramú áramkörök esetében. A különbség talán csak annyi, hogy a váltakozó áramú áramkörökben a Kirchhoff-törvényeket felírhatjuk a mennyiségek komplex pillanatnyi értékeire, amplitúdóira vagy effektív értékeire is.
- Ohm-törvény:
|
|
- I. Kirchhoff-törvény:
|
|
- II. Kirchhoff-törvény:
|
|
Hasonlóan az egyenáramú áramkörökhöz, a váltakozó áramú ellenállásokra is érvényesek a már megismert kapcsolási szabályok:
- soros kapcsolás:
|
|
- párhuzamos kapcsolás:
|
|
Megjegyezzük, hogy a csillag-delta illetve delta-csillag átalakítások az egyenáramú áramköröknél leírt módon, komplex mennyiséggel alkalmazhatók.
A váltakozó áramú áramkörök megoldásához ugyanazokat a módszereket alkalmazhatjuk, amelyeket az egyenáramú áramköröknél már megismertünk (Kirchhoff-törvények, szuperpozíció elv, Thèvenin-tétel, Norton-tétel stb.). A különbség az egyenletekben szereplõ mennyiségek megfelelõ felírásában jelentkezik, mivel minden mennyiséget át kell írni komplex alakba, majd alkalmazunk valamilyen módszert az áramkör megoldására, majd a kapott komplex eredményeket vissza kell írjuk idõben szinuszosan vagy koszinuszosan változó alakba.
Megjegyzés: minden ellenállás, amely az egyenáramú áramköröknél szerepelt a különbözõ egyenletekben, a váltóáramú áramköröknél a megfelelõ impedanciákkal helyettesítendõ!
Tekintsük a 15. ábrán látható soros RLC áramkört, amelyben egy pillanatnyi értékkel
rendelkezõ váltakozó áramú áramforrás található. Ennek hatására az áramkörben
pillanatnyi erõsségû
áram folyik. Ahhoz, hogy ezt az áramot a komplex számok módszerével
meghatározhassuk, elõször meg kell határozzuk a feszültség komplex pillanatnyi
értékét:
. Innen meghatározhatjuk a komplex effektív értéket:
. A továbbiakban használhatjuk az áramkör megoldásához a
komplex pillanatnyi vagy effektív értéket, vagy a komplex amplitúdót is. A 16. ábrán
a komplex effektív értéket tüntettük fel.
15. ábra
16. ábra
Ezek után a váltakozó áramú ellenállásokat kell átírni komplex alakba, melyet a 16. ábrán tüntettünk fel. Az áramkörre a huroktörvényt a komplex mennyiségekkel a következõ alakban írhatjuk fel:
ahol tehát és az áramkörben folyó áram erõssége |
|
A (4.38) összefüggésben szereplõ
komplex impedanciát () felírhattuk volna a komplex ellenállások soros
kapcsolásából származó eredõ impedancia segítségével is:
|
|
Figyelembe véve a 2.2. pont fáziseltolásokra vonatkozó eredményeit, illetve a komplex számoknak komplex számsíkban való ábrázolására vonatkozó szabályokat, megrajzolhatjuk a soros RLC áramkör fazorábráit (17.a-b ábrák).
Megjegyzés: Az ábrázolt esetben azt feltételeztük, hogy az áramkör induktív jellegû, ami azt jelenti, hogy a feszültség siet az áramhoz képest. Ha a tekercsen lévõ feszültség abszolút értéke kisebb, mint a kondenzátoron megjelenõ feszültség, az áramkör kapacitív és a feszültség késik az áramhoz képest, a fázisszög negatív. Ha viszont a két feszültség abszolút értékei egyenlõk, a fázisszög nulla és az áram fázisban van a feszültséggel. Ezt az állapotot rezonanciának nevezzük (soros RLC áramkörben egészen pontosan feszültségrezonanciának).
Az
17.a ábrán az áramköri elemeken megjelenõ feszültségeket, illetve az áramot
tüntettük fel, figyelembe véve, hogy az ellenálláson nincs fáziskülönbség, a
tekercsen siet -vel a feszültség az áramhoz képest (komplex alakban ez
-vel való szorzást jelent), míg a kondenzátoron késik
-vel a feszültség az áramhoz képest (komplex alakban ez
-vel való szorzást jelent). Ugyanezt végeztük el a 17.a ábrán
a komplex impedanciákkal.
a. b.
17. ábra
Elvégezve
a mûveleteket a komplex számokkal, az a. esetben megkapjuk az áramforrás
sarkain lévõ feszültség komplex effektív értékét, a b. esetben pedig a komplex
impedanciát. Észrevehetõ az ábrákon (melyet a (4.38-4.39) összefüggések
igazolnak), hogy mindegyik esetben az eredõ komplex szám fázisban -vel siet a valós tengelyen felmért mennyiségekhez képest (a.
esetben az áramhoz, b. esetben az ohmos ellenállás valós értéke).
Vegyük egy kicsit a komplex impedanciát szemügyre. Felírhatjuk a valós impedanciát úgy, mint
|
|
és a feszültség és áram között kialakuló fázisszöget, mint
|
|
Rezonancia esetén ()
, vagyis (4.41)-bõl
, tehát az impedancia
valóssá válik és egyenlõ az áramkör teljes ohmos ellenállásával,
. A fenti feltételbõl meg lehet határozni azt a frekvencia
értéket (vagy adott frekvencia esetében azt a tekercs induktivitást vagy
kondenzátor kapacitást), amelynél rezonancia lép fel az áramkörben. A
frekvencia értékét megadó összefüggést Thomson-képletnek nevezzük.
|
|
Az áramkörben folyó áram valós effektív értéke megadható, mint
|
|
amely rezonancia
esetén maximális értéket vesz fel.
Megjegyzés: rezonancia esetében, az áramköri paraméterek értékétõl függõen megtörténhet, hogy a tekercsen és kondenzátoron nagyobb feszültség jelenjen meg, mint a tápfeszültség, amely rezonancia esetén megegyezik az ellenálláson megjelenõ feszültséggel.
|
|
A váltakozó áramú áramkörök esetében szokás megadni az áramkör jósági tényezõjét, amely nem más, mint rezonancia esetén, a tekercs (vagy kondenzátor) sarkain megjelenõ feszültség és a tápfeszültség aránya:
|
|
Tekintsük a 18. ábrán látható
párhuzamos RLC áramkört, amelyben egy
pillanatnyi értékkel
rendelkezõ váltakozó áramú áramforrás található. Ennek hatására az áramkör
fõágában
pillanatnyi erõsségû
áram folyik. Ahhoz, hogy ezt az áramot a komplex számok módszerével
meghatározhassuk, elõször meg kell határozzuk a feszültség komplex pillanatnyi
értékét:
. Innen meghatározhatjuk a komplex effektív értéket:
. A továbbiakban használhatjuk az áramkör megoldásához a
komplex pillanatnyi vagy effektív értéket, vagy a komplex amplitúdót is. A 18. ábrán
a komplex effektív értéket tüntettük fel.
a. b.
18. ábra
Ezek után a váltakozó áramú ellenállásokat kell átírni komplex alakba, melyet a 19. ábrán tüntettünk fel (párhuzamosan kapcsolt váltakozó áramú ellenállások elõnyösebb az admittanciák használata!) Az áramkörre a csomóponttörvényt a komplex mennyiségekkel a következõ alakban írhatjuk fel:
ahol tehát |
|
A (4.46) összefüggésben szereplõ
komplex impedanciát () felírhattuk volna a komplex ellenállások párhuzamos
kapcsolásából származó eredõ impedancia segítségével is:
|
|
Figyelembe véve a 2.2. pont fáziseltolásokra vonatkozó eredményeit, illetve a komplex számoknak komplex számsíkban való ábrázolására vonatkozó szabályokat, megrajzolhatjuk a párhuzamos RLC áramkör fazorábráit (19.a-b ábrák).
Megjegyzés: Az ábrázolt esetben azt feltételeztük, hogy az áramkör induktív jellegû, az admittancia fázisszög pozitív. Ha az admittancia fázisszög nulla, az áramkörben rezonancia lép fel (párhuzamos RLC áramkörben egészen pontosan áramrezonanciának).
Az
19.a ábrán az áramköri ágakban folyó áramokat, illetve az áramforrás
feszültségét tüntettük fel, figyelembe véve, hogy az ellenálláson nincs fáziskülönbség,
a tekercsen késik -vel az áram a feszültséghez képest (komplex, míg a
kondenzátoron siet
-vel az áram a feszültséghez képest. Ugyanezt végeztük el a
19.b ábrán a komplex admittanciákkal.
a. b.
19.a ábra
Elvégezve a mûveleteket a komplex számokkal, az a. esetben
megkapjuk az áramkör fõágában folyó áram erõsségének effektív értékét, a b.
esetben pedig a komplex admittanciát. Észrevehetõ az ábrákon (melyet a (4.46-4.47)
összefüggések igazolnak), hogy mindegyik esetben az eredõ komplex szám fázisban
-al siet a valós tengelyen felmért mennyiségekhez képest (a.
esetben a feszültséghez, b. esetben a vezetõképesség).
Vegyük egy kicsit a komplex impedanciát szemügyre. Felírhatjuk a valós impedanciát úgy, mint
|
|
és a feszültség és áram között kialakuló fázisszöget, mint
|
|
Rezonancia esetén ()
, vagyis (4.49)-bõl
, tehát az admittancia
valóssá válik és egyenlõ az áramkör valós vezetõképességével,
. A fenti feltételbõl következik, hogy a párhuzamos RLC
áramkörben ugyanolyan feltételek mellett teljesül a rezonancia, mint a soros
RLC áramkör esetében, illetve ugyanúgy definiálható a jósági tényezõ is.
|
|
Találat: 5632