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.

Aika ja paikka

Lukujärjestyksen mukaisesti.

Tenttien ja uusintatenttien ajankohdat

Välikoe- ja tenttipäivämäärät sovitaan erikseen opintojakson aikana.

Välikoe 1 on 13.10.2021 klo 11.15 alkaen luokkatilassa B5-18.

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 sekä lähi (Keskiviikko) että etäopetukseen (Perjantai).

Oppimateriaalit

Oppimateriaalina toimivat Moodlessa jaettavat sähköiset materiaalit sekä oppikirjat.

Sähköpiirien ratkaisuperiaatteet, joita kurssilla käytetään, on löydettävissä mm Piirianalyysi 2, Edita -oppikirjasta. Samoin seuraavia kirjoja voi hyödyntää oppimisessa:
- Schaum's Electric Circuits, Joseph A. Edminister
- Pearson Electrical Engineering, S.A. Reza Zekavat
- Pearson Electrical Engineering, Allan R. Hambley
- Pearson Electrical Circuits James W. Nilsson, Susan A. Riedel
tai muu vastaava kotimainen tai ulkomainen oppikirja tai aineisto.

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. .

Siten opiskeluun on siis tarkoitus käyttää noin 100 tunnin verran aikaa. Käytännössä tämä koostuu pääosin laskuharjoitustehtävien tekemisestä, sillä merkittävin osa opintojakson insinööritaidosta on sähköpiirien analysointiosaamista.

Eli noin yleisesti opintojakson suorittaminen vaatii runsaasti aikaa. Työtä tehdään viikottain tasaisella mutta merkittävällä työmäärällä. Muun sosiaalisen elämän voi jättää odottamaan parempia aikoja sillä tämän ja muiden opintojaksojen opiskelun tulee olla prioriteetti nro 1

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 koetta. Kokeen aihepiirejä ovat:
vaihtosähkön teho (T1),
keskinäisinduktanssi (T2) ja
resonanssi (T3),

Toisen välikokeen aihepiirejä ovat:
suodinkytkennät (T4) ja
kytkentäilmiöt (T5).

Harjoitustöitä tekemällä voi harjoituttaa osaamista ja kerryttää lisäpisteitä, jotka lisätään kokeiden pisteisiin.

Lisätietoja opiskelijoille

Aloitamme opetuksen todennäköisesti lähitunnilla 1.9.2021 klo 12.15 sen mukaan kuin koronaohjeistus sen sallii. Muutoin olemme etänä.

Korona-ajan etäopiskelun mahdollistamiseksi opintojakson kaikki sisällöt on saatavilla kirjan muodossa: mm Piirianalyysi 2, Edita tai muissa oppimateriaaliosassa mainituissa oppikirjoissa.

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.