Tasa- ja vaihtosähköpiirit (5 op)

Osaamistavoitteet (Opintojakso)

Opiskelija osaa
- sähkövirtapiirien keskeiset käsitteet ja ymmärtää niiden alkuperän
- käyttää piirikomponenttien virta-jännite-yhtälöitä sähköpiirien analysoinnissa ja ymmärtää peruskomponenttien toimintaperiaatteet
- analysoida sähkövirtapiirejä järjestelmällisesti

Analysointitaidon lisäksi opiskelijalla on vahva käsitys siitä, että mikä tahansa sähköpiiri voidaan ratkaista järjestelmällisesti Kirchhoffin jännitelain, Kirchhoffin virtalain ja komponenttien virta-jännite-yhtälöiden avulla, ja että erilaisten piirinratkaisumenetelmien pääasiallinen tavoite on vain vähentää analysointiin tarvittavaa työmäärää.

Sisältö (Opintojakso)

Tasasähköpiirit: vastusten kytkentävaihtoehdot, piirien analysoinnin periaatteet, erilaisten ratkaisumenetelmien rakentuminen Kirchhoffin laeista.

Vaihtosähköpiirit: kompleksilukujen hyödyntäminen vaihtosähkösuureiden kuvauksessa (osoitinlaskenta), impedanssin käsite, laskentamenetelmien kertaus osoitinlaskentaa hyödyntäen.

Arviointikriteerit, tyydyttävä (1-2) (Opintojakso)

Opiskelija osaa analysoida yksinkertaisia tasa- ja vaihtosähköpiirejä.

Arviointikriteerit, hyvä (3-4) (Opintojakso)

Opiskelija ymmärtää tasa- ja vaihtosähköpiirien toiminnalliset eroavaisuudet. Lisäksi opiskelijalla on niin vahva rutiini sähköpiirien analysointiin, ettei tehtävän monimutkaistuminen oleellisesti hankaloita tehtävän ratkaisemista, vaan se ainoastaan kasvattaa työmäärää. Opiskelijalle on myös kehittynyt vahva piirinlukutaito, jota tarvitaan esimerkiksi monimutkaisten piirien yksinkertaistamisessa. Vaihtosähkön tehon laskenta on sujuvaa.

Arviointikriteerit, kiitettävä (5) (Opintojakso)

Opiskelija tuntee piirien analysoinnin taustat niin hyvin, että hän ymmärtää eri ratkaisumenetelmien olevan vain samojen sääntöjen soveltamista eri tavoin. Tämän seurauksena opiskelija osaa ratkaista minkä tahansa piirin millä tahansa menetelmällä ja tiedostaa, että menetelmien välinen ero on lopulta vain työmäärässä. Vahvan ymmärryksen seurauksena vaihtosähköpiirien analysointi ei ole oleellisesti tasasähköpiirejä vaikeampaa.

Tenttien ja uusintatenttien ajankohdat

Opintojakson aikana pidetään kaksi välikoetta, joiden ajankohta ilmoitetaan myöhemmin. Jälkimmäinen välikoe toimii samalla kurssin tenttinä.

Arviointimenetelmät ja arvioinnin perusteet

Opintojakson kokonaissuorituksen arviointi perustuu välikoe- ja tenttitulokseen. Kurssin keskeisenä tavoitteena on oppia sähköpiirien järjestelmällistä analysointia, ja sen mittaaminen onnistuu varsin hyvin koetehtävillä.

Arviointiasteikko

0-5

Opiskelumuodot ja opetusmenetelmät

Lähiopetus järjestetään siten, että teoriatuntien jälkeen järjestetään saman aihepiirin laskuharjoituksia, joiden tavoitteena on kerryttää välttämätöntä laskentarutiinia. Lähituntien itselaskemisen lisäksi harjoituksia jää tehtäväksi myös omalla ajalla.

Lähituntien lisäksi tarjolle tulee lyhytvideoita ja muuta sähköistä materiaalia opintojakson aihepiireistä.

Taustalla olevaa menetelmää kutsutaan kulmakivien menetelmäksi. Tähän palataan tarkemmin lähitunneilla ja tabulamateriaaleissa.

Oppimateriaalit

Kurssin suorittaminen onnistuu tabulassa jaettavien materiaalien avulla.

Vaikka kirja ei välttämätön kurssin suorittamiselle olekaan, kirjasuosituksina ovat:
- Piirianalyysi 1 ja Piirianalyysi 2 (Pertti Tarkka, Lauri Hietalahti / Edita)

Vahva laskinsuositus: TI-Nspire

Opiskelijan ajankäyttö ja kuormitus

Opiskelijan kokonaisajankäyttö opintojaksolle on n. 135h, josta lähiopetuksen osuus on n. 56h.

Sisällön jaksotus

Opintojakson keskeinen tavoite on oppia sähköpiirien järjestelmällistä analysointia. Työ aloitetaan tasasähköpiireistä, joissa komponentit ovat yksinkertaisimpia. Tällöin siis piirilaskentasääntöjen lainalaisuudet pääsevät selvimmin esille. Kun tasasähköpiirit on hallussa, siirrytään vaihtosähköpiireihin. Niiden laskentasäännöt ovat täsmälleen samat kuin tasasähköpiireissä, mutta laskennasta tulee monimutkaisemman näköistä lisääntyneiden komponenttien ja kompleksilukuaritmetiikan seurauksena.

Opintojakson sisältö koostuu seuraavista aihepiireistä:

- Tasasähköpiirien käsitteet, rakenne ja komponentit
- Tasasähköpiirien laskenta- ja analysointimenetelmät
- Vaihtosähköpiireihin liittyvät käsitteet ja komponentit
- Vaihtosähköpiirien käsittely eri laskentamenetelmillä
- Vaihtosähköpiirin toiminnan analysointi
- Vaihtosähkön teho ja energia

Toteutuksen valinnaiset suoritustavat

välikokeet ja tentti

Harjoittelu- ja työelämäyhteistyö

Opintojakson sisältö antaa valmiudet syventää sähkötekniikan käsitteiden, suureiden ja niiden välisten laskennallisten riippuvuussuhteiden osaamista. Opintojen aikaisissa harjoitteluissa tasa- ja vaihtosähköpiirien laskennallinen osaaminen antaa valmiudet ymmärtää käytännön ratkaisuissa tehtäviä valintoja ja perusteluja niille.

Lisätietoja opiskelijoille

Lisätietoja annetaan opintojakson aikana lähiopetuskerroilla sekä sähköisesti tabulan kautta.
Yhteydet muihin opintojaksoihin:
- yhtälöiden muodostaminen ja niiden ratkaisu (Geometria ja vektorilaskenta)
- kompleksiset suureet, osoittimet ja osoitinlaskenta (Geometria ja vektorilaskenta)
- lineaaristen yhtälöryhmien matriisimuotoinen ratkaisu (Funktiot ja matriisit)
- resistiivisyyden lämpötilariippuvuus (Lämpö- ja virtausoppi)
- tasa- ja vaihtosähkötekniikan käsitteellinen osaaminen, mittalaitteet ja mittausten suorittaminen (Sähkötekniikan perusteet)

Arviointikriteerit - tyydyttävä (1-2) (Ei käytössä, kts Opintojakson Arviointikriteerit ylempänä)

Opiskelija osaa analysoida yksinkertaisia tasa- ja vaihtosähköpiirejä.

Arviointikriteerit - hyvä (3-4) (Ei käytössä, kts Opintojakson Arviointikriteerit ylempänä)

Opiskelija suoriutuu opintojaksosta hyvällä arvosanalla, kun osaaminen sijoittuu tyydyttävän ja kiitettävän välille.

Arviointikriteerit - kiitettävä (5) (Ei käytössä, kts Opintojakson Arviointikriteerit ylempänä)

Opiskelijalla on vahva kokonaiskäsitys sähköpiirien analysoinnista. Hän ymmärtää kulmakivien menetelmän seurauksena sen, että erilaiset piirienratkaisumenetelmät ovat vain samojen perussääntöjen soveltamista hieman eri näkökulmista. Tämän seurauksena mikä tahansa piiri voidaan ratkaista millä tahansa menetelmällä, ja eri menetelmien eroavaisuus näkyy vain tarvittavassa työmäärässä. Lisäksi opiskelija ymmärtää sen, että vaihtosähköpiirien analysointi on yksinkertaisinta kompleksilukujen avulla. Koska kyse on vaihtosähköpiirien jatkuvuustilan (steady-state) analyysistä, jännitteiden ja virtojen hetkellisarvot voidaan korvata kompleksiluvuilla mekaanisen laskentatyön helpottamiseksi.

Vahvan perusymmärryksen lisäksi opiskelija osaa ratkaista minkä tahansa sähköpiirin millä tahansa menetelmällä. Vahvasta osaamisesta seuraa myös se, että kytkennän monimutkaistuminen ei tee tehtävästä varsinaisesti vaikeampaa, vaan ainostaan ratkaisemiseen vaadittava työmäärä kasvaa.