CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.)...

24
CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Publikacja dystrybuowana jest bezpłatnie

Transcript of CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.)...

Page 1: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

CIRCUITS and SYSTEMS – part I

Prof. dr hab. Stanisław Osowski

Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Publikacja dystrybuowana jest bezpłatnie

Page 2: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Lecture 2

Analysis of circuits in steady state at sinusoidal excitation

Page 3: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Sinusoidal signal

u(t) - instantaneous value of signalUm - maximum value (magnitude) of signal

- initial phase (phase corresponding to t=0)

t+ - phase angle at time tf=1/T - frequency in HzT - period of sinusoidal signal

- angular frequency measured in radians per second

)sin()( tUtu m

Page 4: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

RMS value of signal

2

)sin()( mm

UUtUtu

Tot

t

dttfT

F0

2 )(1

For sinusoidal signal

• voltage

• current

2

)sin()( mm

IItIti

Page 5: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Steady state of the circuit

Steady state of the circuit is the state in which the character of the circuit response is the same as the excitation. It means that at sinusidal excitation the response is also sinusidal of the same frequency.

For the need of steady state analysis we introduce the so symbolic method of complex numbers. This method converts all differential and integral equations into algebraic equations of complex character.

Page 6: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Symbolic method for RLC circuit

The RLC circuit under analysis

The circuit equation in time domain

dt

diLidt

CRitUm

1)sin(

Page 7: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

General solution of circuit

The general solution of the circuit in time domain is composed of two components: x(t)=xs(t)+xt(t)

•Steady state component – part xs(t) of general solution for which the signal has the same character as excitation (at sinusidal excitation the response is also sinusidal of the same frequency). This state is theoretically achieved after intinite time (in practice this time is finite).•Transient component - part xt(t) of general solution for which the signal may take different form from excitation (for example at DC excitation it may be sinusoidal or exponential). The general solution is just the sum of these two parts

x(t)=xs(t)+xt(t)

Page 8: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Solution in steady state

tjjmm eeUtUtUtu )( )sin()(

tjjmm eeItItIti )( )sin()(

Symbolic represenation of voltage excitation

Symbolic represenation of current response

dttICdt

tdILtRItU )(

1)()()(

Symbolic equation of circuit

Page 9: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Solution in steady state (cont.)

After performing the appropriate manipulations we get

iii jmjmjmjm eI

Cje

ILje

IRe

U

2

1

222

2

,2

ijmjm eI

IeU

U

The complex RMS notations of current and voltage

ICj

LIjRIU

1

The complex RMS equation of the circuit

Page 10: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Complex represenation of the RLC elements

Resistor

Inductor

Capacitor

R Z R RIU R

LjLIjU L L Z

Cj

CjI

CjUC

11 Z

1C

Page 11: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Complex impedances• Reactance of inductor

LL jXZ

• Reactance of capacitor

LX L

CXC

1

• Impedance of inductor

• Impedance of capacitor

CC jXZ

Page 12: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Final solution of RLC circuit

• Complex algebraic equation of RLC circuit

ZIIZIZRIU CL

• Complex current

R

CLjj

eCLR

U

CLjR

eU

Z

UI

)/(1arctg

22 ))/(1(/(1

• Magnitude RMS value of current

• Phase of current

22 ))/(1( CLR

U

Z

UI

R

CLi

)/(1arctg

Page 13: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Kirchhoff’s laws for complex representation

• KCL

• KVL

• Ohm’s complex law

Y=1/Z - complex admittance

k

kI 0

k

kU 0

YUIZIU

Page 14: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Symbolic method - summary

• Conversion: time-complex representation of sources

i

u

jmim

jmum

eI

tIti

eU

tUtu

2 )sin()(

2 )sin()(

• Complex represenattion of RLC elements

• Kirchhoff’s laws for complex values

• Solution of complex equations -> complex currents & voltages.

Page 15: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Example

Determine the currents in in steady state of the circuit at the following values of parameters: R=10Ω, C=0,0001F, L=5mH, i(t)=7.07sin(1000t) A.

Circuit structure

Page 16: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Solution

Complex symbolic values of parameters:

ω = 1000

I = 5ej0 = 5

ZL = jωL = j5

ZC = -j/(ωC) = -j10

Admittance and impedance of the circuitoj

CL

eY

ZjZZR

Y 45

2

101 1,01,0

111

Page 17: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Solution (cont.)

Voltage and currents

o

o

o

o

j

CC

j

LL

jR

j

eZ

UI

eZ

UI

eR

UI

eZIU

135

45

45

45

2

5

2

102

52

50

Page 18: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Solution (cont.)

Time representation of the signals

)1351000sin(5)(

)451000sin(10)(

)451000sin(5)(

)451000sin(50)(

oC

oL

oR

o

tti

tti

tti

ttu

Page 19: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Phasor diagram for resistor

Equation

ojRRR eRIRIU 0

Page 20: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Phasor diagram for inductor

Equation

ojLLL eLILIjU 90

Page 21: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Phasor diagram for capacitor

Equation

ojCCC eI

CI

CjU 9011

Page 22: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Phasor diagram for RLC circuit• The construction starts from the farest branch from the source. For

series connected elements of this branch start from current; for parallel connected elements start from voltage. Next we draw alternatingly the currents and voltages for the succeeding branches, approaching in this way the source.

• The relation of the input voltage towards the input current determines the reactive character of the circuit. – If the input voltage leads its current the character is inductive.– If (opposite) the input voltage lags its current the character of the circuit is

capacitive. – When the voltage is in phase with current – the circuit is of resistive character.

Page 23: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

ExampleDraw the phasor diagram for the circuit

RLC circuit structure

Page 24: CIRCUITS and SYSTEMS – part I Prof. dr hab. Stanisław Osowski Electrical Engineering (B.Sc.) Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego.

Construction of phasor diagram