Virtapiirien mallintaminen (5 op)

Osaamistavoitteet (Opintojakso)

Opiskelija tuntee
- vaihtosähkön tehon käsitteet

Opiskelija osaa
- mallintaa piirejä, joissa on induktiivisesti kytkeytyneitä käämejä
- mallintaa piirien resonanssitilanteet ja hallitsee passiivisten perussuodattimien analyysin
- mallintaa piirien kytkentäilmiöt ja ymmärtää niiden oleelliset erot jatkuvuustilan (steady-state) piirimallinnukseen verrattuna

Sisältö (Opintojakso)

Vaihtosähkön teho: pätöteho, loisteho, näennäisteho, kompleksinen teho.

Keskinäisinduktanssin piirimallinnus: miten induktiivisesti kytketyt käämit otetaan huomioon piirianalyysissä, ideaalimuuntajan piirimalli.

Resonanssi sähköpiireissä: mitä resonanssi tarkoittaa, ja miten se ilmenee sähköpiireissä. Miten sähköpiirien resonanssitilanteet mallinnetaan.

Passiiviset suodatinkytkennät: miten alipäästö-, ylipäästö-, kaistanpäästö- ja kaistanestosuodattimet toteutetaan vastusten, käämien ja kondensaattorien avulla. Miten näitä suodatinkytkentöjä mallinnetaan jännitevahvistuksen siirtofunktion avulla.

Kytkentäilmiöt: miten kytkentäilmiöt ja muut sähköpiirien transienttitilanteet voidaan mallintaa. Kytkentäilmiöiden mallintaminen johtaa väistämättä differentiaaliyhtälöihin, joita opintojaksolla ratkaistaan sekä aikatasossa että Laplace-muunnoksen avulla.

Esitietovaatimukset (Opintojakso)

Tasa- ja vaihtosähköpiirit -opintojakson sisällön hallinta.

Arviointikriteerit, tyydyttävä (1-2) (Opintojakso)

Opiskelija osaa ratkaista yksinkertaisia tehtäviä kaikista kurssin keskeisistä aihepiireistä.

Arviointikriteerit, hyvä (3-4) (Opintojakso)

Opiskelija osaa ratkaista soveltavia tehtäviä vaihtosähkön tehosta, keskinäisinduktanssista, resonanssista, suodatinpiireistä ja piirien kytkentätilanteista. Soveltavien tehtävien ratkaiseminen edellyttää laskentarutiinin lisäksi keskeisten aihepiirien vahvaa ymmärrystä.

Arviointikriteerit, kiitettävä (5) (Opintojakso)

Opiskelija ymmärtää syvällisesti vaihtosähkön tehon käsitteet ja taustalla vaikuttavan oletuksen sähkösuureiden sinimuotoisuudesta. Opiskelija osaa mallintaa keskinäisinduktansseja sisältäviä sähköpiirejä ja ymmärtää, miten virtojen ja käämintäsuuntien muutokset vaikuttavat sähköpiirin toimintaan. Opiskelija osaa ratkaista sähköpiirien resonanssitilanteet ja ymmärtää sarja- ja rinnakkaisresonanssin vaikutusten eroavaisuudet. Opiskelija osaa suunnitella erilaisia suodatinkytkentöjä ja ymmärtää jännitevahvistuksen käyttäytymisen taajuuden funktiona. Opiskelija ymmärtää piirien kytkentäilmiöiden taustat ja osaa ratkaista erilaisia piirien kytkentäilmiöitä sekä aikatasossa että Laplace-muunnoksen avulla.

Tenttien ja uusintatenttien ajankohdat

Välikoe- ja tenttipäivämäärät sovitaan opintojakson aikana.

Arviointimenetelmät ja arvioinnin perusteet

Kurssin pääasiallisena tavoitteena on saavuttaa ymmärrys ja mallinnustaito tietyistä sähkötekniikan oleellisista ilmiöistä. Kurssin arvioinnissa pyritään pääosin testaamaan sitä, kuinka hyvin näiden ilmiöiden mallinnustaito on opittu.

Arviointiasteikko

0-5

Opiskelumuodot ja opetusmenetelmät

kulmakivien menetelmä, lyhyet opetusvideot, perinteinen lähiopetus: teoriatunnit ja paljon opiskelijoiden omaa työskentelyä lähitunneilla, etäopiskelun tukeminen tabulan avulla
- Opetusvideoita kurssin eri aihepiireistä on tulossa kattavasti tarjolle.

Oppimateriaalit

Oppimateriaalina toimii Moodlessa jaettava sähköinen materiaali.

Opiskelijan ajankäyttö ja kuormitus

Kurssilla on lähiopetusta noin 30 tuntia. Kun oletetaan, että yksi opintopiste vastaa noin 27 tunnin työskentelyä, viiden opintopisteen opintojakson kokonaiskuorma on 135 tunnin luokkaa. Lähiopetuksen lisäksi kuorma on siis sadan tunnin luokkaa. Osa tästä liittyy videoiden muodossa olevaan opetusmateriaaliin, joka on tarjolla Moodlessa.

Sisällön jaksotus

Kurssilla on viisi keskeistä aihepiiriä: vaihtosähkön teho, keskinäisinduktanssi, resonanssi, suodattimet, ja piirien kytkentätilanteet, joista viimeisessä hyödynnetään Laplace-muunnosta. Kaikki viisi aihepiiriä ovat lähtökohtaisesti yhtä tärkeitä, ja kaikkien käsittelyyn käytetään likimain saman verran aikaa.

Toteutuksen valinnaiset suoritustavat

välikokeet ja tentti

Lisätietoja opiskelijoille

Etäopiskelua tuetaan Moodlen avulla. Tarjolle tulee opetusvideoita kurssin keskeisistä aihepiireistä, ja lisäksi Moodlesta tulee löytymään sähköistä materiaalia esimerkiksi tehtävien ratkaisuehdotustusten muodossa.
Yhteydet muihin opintojaksoihin:
- kompleksiluvut (Geometria ja vektorilaskenta)
- keskinäisinduktanssin, resonanssin ja kytkentäilmiöiden mittaaminen (Sähkö- ja automaatiotekniikan peruslaboraatiot)
- Tasa- ja vaihtosähköpiirit

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

Opiskelija osaa ratkaista yksinkertaisia tehtäviä kaikista kurssin keskeisistä aihepiireistä.

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

Opiskelija osaa ratkaista soveltavia tehtäviä vaihtosähkön tehosta, keskinäisinduktanssista, resonanssista, suodatinpiireistä ja piirien kytkentätilanteista. Soveltavien tehtävien ratkaiseminen edellyttää laskentarutiinin lisäksi keskeisten aihepiirien vahvaa ymmärrystä.

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

- Opiskelija osaa laskea vaihtosähkön tehon eri komponentit ja ymmärtää niiden luonnontieteelliset merkitykset.
- Opiskelija osaa ottaa keskinäisinduktanssin huomioon piirilaskennassa, onpa kyse sitten muuntajasta tai muunlaisesta kytkennästä, jossa kahden tai useamman käämin välillä on induktiivinen kytkentä.
- Opiskelija osaa selvittää kytkennän resonanssitaajuuden ja hahmottaa sen luonnontieteelliset syyt ja seuraukset.
- Opiskelija osaa suunnitella erilaisia suodatinkytkentöjä ja ymmärtää jännitevahvistuksen käyttäytymisen taajuuden funktiona.
- Opiskelija ymmärtää piirien kytkentäilmiöiden taustat, ja osaa ratkaista erilaisia piirien kytkentäilmiöitä sekä suorana differentiaaliyhtälön ratkaisuna että Laplace-muunnoksen avulla.