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

Koronan aiheuttaman poikkeustilan aikainen etäopetus Virtapiirien mallintamisen opintojaksolla perustuu pääasiassa opetusvideoihin. Kaikki materiaalit (teorialuennot ja laskuharjoitukset) ovat tarjolla videoiden muodossa, ja samat aineistot löytyvät myös pdf-tiedostoina. Tämän ratkaisun tavoitteena on tarjota opiskelijoille mahdollisuus aika- ja paikkariippumattomaan opiskeluun. Se tarjoaa vapautta, mutta samalla se lisää myös opiskelijan vastuuta omasta oppimisestaan. Video-opetuksen lisäksi järjestetään etä-live-tapahtumia, joissa kerrataan videoissa käsiteltyjä asioita.

Sähköpiirien ratkaisuperiaatteet, joita kurssilla käytetään, on rakennettu ns. kulmakivien menetelmän periaatteiden mukaisesti: https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-319-50337-0_54

Oppimateriaalit

Oppimateriaalina toimivat Moodlessa jaettavat sähköiset materiaalit.

Vaikka kurssin suorittamiseen ei tarvita Moodlen ulkopuolista materiaalia, aihepiiristä on kirjoitettu todennäköisesti satoja kirjoja. Yksi hyvä ja yleisesti korkeakouluissa käytetty vaihtoehto on Nilssonin ja Riedelin Electric Circuits.

Opiskelijan ajankäyttö ja kuormitus

Normaalissa lähiopetuksessa opintojakson lähituntimäärä on noin 40. 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.

Korona-ajan etäopetuksessa opintojaksolla on videoita tarjolla noin 30 tunnin edestä. Sen lisäksi opiskeluun on siis tarkoitus käyttää noin 100 tunnin verran aikaa. Käytännössä tämä koostuu pääosin laskuharjoitustehtävien tekemisestä, sillä merkittävin osa opintojakson insinööritaidosta on sähköpiirien analysointiosaamista.

Sisällön jaksotus

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

Toteutuksen valinnaiset suoritustavat

Opintojaksolla järjestetään kaksi välikoetta, joista jälkimmäinen toimii samalla tenttinä. Ensimmäisen välikokeen aihepiirejä ovat vaihtosähkön teho (T1), keskinäisinduktanssi (T2) ja resonanssi (T3), ja toisen välikokeen aihepiirejä ovat suodinkytkennät (T4) ja kytkentäilmiöt (T5).

Lisätietoja opiskelijoille

Korona-ajan etäopiskelun mahdollistamiseksi opintojakson kaikki materiaalit on tuotettu videoiden muotoon. Pääosa opiskelusta on siis mahdollista toteuttaa aika- ja paikkariippumattomasti.

Arviointikriteerit - hylätty (0) (Ei käytössä, kts Opintojakson Arviointikriteerit ylempänä)

Arvosana on hylätty, jos tyydyttävän arvosanan minimikriteerejä ei saavuteta.

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, suodatinkytkennöistä 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.