OSNOVE ELEKTROTEHNIKE
INTERAKTIVNI NASTAVNI MATERIJALI
animacije · pokusi · lab. vježbe · simulacije · test pitanja · zadaci

Izmjenični krugovi · Mjesni (locus) dijagrami

Kompleksnu impedanciju $\underline{Z}$ i admitanciju $\underline{Y}$ možemo prikazati u odgovarajućoj kompleksnoj ravnini. Ovdje razmatramo induktivnu impedanciju (serijski spoj radnog i induktivnog otpora): $\underline{Z} = R + \text{j}X_\text{L}$. Uz poznati $R$ i $X_\text{L}$ taj kompleksni broj možemo prikazati kao točku u kompleksnoj $Z$-ravnini. No što ćemo dobiti ako je $X_\text{L}$ konstantan, a radni otpor $R$ se mijenja od nule do nekog iznosa (npr. sve do $+\infty$)? Dobivamo skup točaka u prvom kvadrantu kompleksne $Z$-ravnine (na osima su otpori u Ohmima) koje čine polupravac paralelan s pozitivnom realnom osi (ako se otpor mijenja od $0 \longrightarrow +\infty$). Dakle, impedancija $\underline{Z}$ mijenja svoju poziciju u kompleksnoj $Z$-ravnini. Općenito se skup točaka koje dobivamo kod promjene neke (samo jedne) veličine spoja (ili otpora ili induktivitet ili frekvencija) naziva lokus dijagram ili mjesni dijagram.

Poznato je da admitanciju $\underline{Y}$ možemo prikazati kao recipročnu vrijednost impedancije: $$\underline{Y} = \frac{1}{\underline{Z}}$$ Pokazuje se da admitancija $\underline{Y}$ u kompleksnoj $Y$-ravnini (na osima su vodljivosti u Siemensima) čini skup točaka na polukružnici. Matematički kažemo da se polupravac iz $Z$-ravnine kroz funkciju $\underline{Y} = \frac{1}{\underline{Z}}$ preslika u polukružnicu u $Y$-ravnini.

Napomena: pravac od $-\infty$ do $+\infty$ bi se preslikao kružnicu, ali budući da ne postoje negativni otpori preostaje samo polukružnica!

Za serijski induktivni spoj s reaktancijom $X_\text{L} = 2 \, \Omega$ i promjenjivim otporom $R$ zapisani su u tablici iznosi impedancije i izračunate odgovarajuće admitancije (paralela vodljivosti $G$ i susceptancije $B_\text{L}$) za nekoliko različitih vrijednosti otpora $R$ preko formule: $$\underline{Y} = \frac{1}{\underline{Z}} = \frac{1}{R+\text{j}X_\text{L}} = \frac{R-\text{j}X_\text{L}}{R^2+X^2_\text{L}} = \frac{R}{R^2+X^2_\text{L}} - \text{j} \frac{X_\text{L}}{R^2+X^2_\text{L}} = G - \text{j}B_\text{L}$$

$R \, \left[ \Omega \right]$ $\underline{Z} \, \left[ \Omega \right]$ $\underline{Y} \, \left[ \text{S} \right]$
$0$ $0+\text{j}2$ $0-\text{j}0.5$
$0.5$ $0.5+\text{j}2$ $0.118-\text{j}0.471$
$1$ $1+\text{j}2$ $0.2-\text{j}0.4$
$1.5$ $1.5+\text{j}2$ $0.24-\text{j}0.32$
$2$ $2+\text{j}2$ $0.25-\text{j}0.25$
$5$ $5+\text{j}2$ $0.172-\text{j}0.069$
$10$ $10+\text{j}2$ $0.096-\text{j}0.019$

U interaktivnom programu se preslikava serijski spoj promjenjivog otpora $R$ i reaktancije $X_\text{L}$ u paralelni spoj vodljivosti $G$ i susceptancije $B_\text{L}$ te se pri tom iscrtavaju odgovarajući lokus dijagrami u $Z$-ravnini i u $Y$-ravnini. Potrebno je mijenjati otpor $R$ pomicanjem kliznika. Opazite: pri porastu otpora susceptancija $B_\text{L}$ se smanjuje, a radna vodljivost $G$ najprije (do iznosa $R=2 \, \Omega$) raste, a zatim pada. Budući da se otpor mijenja od $0$ do $10 \, \Omega$ $Z$-lokus je dužina, a u vezi s tim $Y$-lokus nije kompletna polukružnica. Mali dio koji nedostaje dobio bi se kada bi se otpor povećavao dalje od $10 \, \Omega$ prema $+\infty$.

Primijetite kako se pri promjeni otpora $R$ mijenja i realni $\left( G \right)$ i imaginarni dio $\left( B_\text{L} \right)$ admitancije dok se kod impedancije samo realni dio.

Nadalje, iz formule $\underline{Y} = \frac{1}{\underline{Z}}$ vidimo da serijski spoj elemenata možemo zamijeniti s ekvivalentnim paralelnim spojem što može biti korisno pri analizi strujnih krugova i (bržem) rješavanju zadataka. Moguć je i obrat, tj. paralelu vodljivosti $G$ i susceptancije $B_\text{L}$ može se zamijeniti sa serijom $R$ i $X_\text{L}$: $$\underline{Z} = \frac{1}{\underline{Y}} = \frac{1}{G - \text{j}B_\text{L}} = \frac{G + \text{j}B_\text{L}}{G^2 + B^2_\text{L}} = \frac{G}{G^2 + B^2_\text{L}} + \text{j}\frac{B_\text{L}}{G^2 + B^2_\text{L}} = R + \text{j}X_\text{L}$$

Pretpostavimo da opisani spoj priključimo na naponski sinusni izvor $\dot{U} = 10 \angle 0° \text{ V}$, tj. početni fazni kut napona je nula, a efektivna vrijednost je $10 \text{ V}$. Fazor struje možemo izračunavati kao $\dot{I} = \frac{\dot{U}}{\underline{Z}}$ ili $\dot{I} = \dot{U} \cdot \underline{Y}$. Ako se mijenja $R$, mijenjaju se $\underline{Z}$ i $\underline{Y}$ kako je već objašnjeno. Sukladno tome mijenja se i fazor struje $\dot{I}$ pa će u kompleksnoj $I$-ravnini (na osima su struje u amperima) mijenjati svoj položaj i opisivati $I$-lokus dijagram. Pritom vodimo računa da reaktancija $X_\text{L}$ nije element kruga nego induktivan otpor $X_\text{L} = \omega \cdot L$, dakle ovisi o iznosu induktiviteta i frekvenciji. Npr. u opisanom slučaju $X_\text{L} = 2 \, \Omega$, ako je $L = 0.01 \text{ H}$ tada prikazani lokus dijagrami vrijede za kružnu frekvenciju $\omega = \frac{X_\text{L}}{L} = 200 \text{ s}^{-1}$, odnosno frekvenciju $f = \frac{\omega}{2 \pi} = 31.831 \text{ Hz}$. Za veću ili manju frekvenciju promijenili bi se naravno lokus dijagrami (probajte ih skicirati za vježbu).

Nije teško zaključiti da se lokus dijagram fazora struje u ovom slučaju $\left( \dot{U} = 10 \angle 0° \text{ V} \right)$ jednostavno dobije iz $Y$-lokusa samo treba promijeniti oznake na osima (pomnožiti ih sa $10$). Na takvom dijagramu može se očitavati kut i iznos fazora struje uz neki otpor $R$ (postave se zrakaste linije iz ishodišta s oznakom otpora). Naravno da postoje i lokus dijagrami fazora napona (pogledati ovdje). Treba spomenuti da $Y$-lokus ukazuje na pojavu rezonancije (tada je $B$ jednako nuli). U prikazanom primjeru rezonancija nije moguća jer u krugu nema zajedno i induktivne i kapacitivne vodljivosti.

U elektrotehnici često razmatramo utjecaj frekvencije na zbivanja u strujnim krugovima. Pod frekvencijom zbog jednostavnosti podrazumijevamo kružnu frekvenciju $\omega$. U tom smislu korisno je najprije pogledati impedanciju $\underline{Z}$ i admitanciju $\underline{Y}$ serijskog $RL$ i $RC$ spoja. Program skicira mjesne dijagrame impedancije i admitancije za ta dva spoja. Radni otpor $R$, induktivitet $L$ i kapacitet $C$ su konstantni dok induktivni otpor $X_\text{L} = \omega \cdot L$ i kapacitivni otpor $X_\text{C} = \frac{1}{\omega \cdot C}$ ovise o frekvenciji. Primijetite što se događa kada frekvenciju $\omega$ povećavate odnosno smanjujete pomicanjem kliznika.

Napomena:
Često lokus dijagrame nazivamo kružni dijagrami iako ima slučajeva kada je lokus dijagram neka druga krivulja. Zainteresirani čitatelj neka ovdje pogleda takav lokus dijagram.