TSDT48 Elektriska kretsar
(I1, Ii1)

Kursprogram våren 2003 (I, Ii)

Innehåll					Separata sidor
Allmänt					Allmänt
Omfattning					Omfattning
Lärare och övrig personal					Lärare och övrig personal
Kurslitteratur					Kurslitteratur
Examination					Examination
Föreläsningar					Föreläsningar
Lektioner					Lektioner
Målbeskrivning					Målbeskrivning

1. Allmänt

Kursen syftar till att ge kunskaper och färdigheter i traditionell likströms- och växelströmsteori, att ge kunskaper om operationsförstärkare samt färdigheter att analysera elektriska kretsar innehållande dioder.

För dig som läser en papperskopia av detta kursprogram:
Mer information finns även att läsa på kursens websida: http://www.commsys.isy.liu.se/TSDT48 . Bland annat finns detta kursprogram där.

2. Omfattning

Föreläsningar:		8 x 2 h	=	16 h
Lektioner:		8 x 2 h	=	16 h
Laborationer:		4 h + 2 h + 4 h	=	10 h

3. Lärare och övrig personal

Under våren 2003, då kursen ges för I, arbetar följande personer med kursen.

Föreläsare:			Mikael Olofsson (*) mikael@isy.liu.se tel. 281343
Examinator:			Sune Söderkvist (**) sune@isy.liu.se tel. 281355
Labansvarig:			Sune Söderkvist (se ovan)
Lektioner:	I1a, I1e		Mikael Mohsén mikmo781@student.liu.se
	I1b, Ii1a		Daniel Antonsson danan046@student.liu.se
	I1c, Ii1b		Deborah Capello debca234@student.liu.se tel. 177233
	I1d		Magnus Krisell magkr747@student.liu.se tel. 65848

(*) Finns i hus B, en trappa upp, i korridor A, mellan ingångarna 27 och 29.
(**) Finns i hus B, en trappa upp, i korridor D, mellan ingångarna 25 och 27.

4. Kurslitteratur

Ordinarie kurslitteratur:

• Söderkvist: Kretsteori & Elektronik (se not nedan)
• Söderkvist: Kretsteori & Elektronik, övningsbok
• Olofsson: Föreläsningsmateriel
• Lab-PM

Litteraturen ovan finns att köpa på Bokakademin, Kårallen.

Du som planerar att läsa Signaler och system (inom systemteknikinriktningen i ÅK3 för I) kan redan nu köpa den formelsamling som används där. Några sidor behandlar begrepp som tas upp i denna kurs.

• Söderkvist: Formler & Tabeller

Notera att det på marknaden finns en stor mängd alternativ kurslitteratur. Om du köper någon annan bok än den ovan rekommenderade, så tänk på att boken åtminstone bör behandla grunderna i likströmsteori, växelströmsteori och operationsförstärkare.
Exempel på bra böcker som passar kursen väl, och som bör gå att få tag i för c:a 500.- per styck:

• "Electric Circuits" av J.W. Nilsson & S.A. Riedel (Förlag: Addison-Wesley).
• "Electric Circuit Analysis" av D. Johnson, J. Johnson & J. Hilburn (Förlag: Prentice-Hall).

Båda dessa böcker täcker mer än vår kurs. De behandlar dessutom fourierserier, fouriertransform och laplacetransform, saker som vi tar upp i den senare kursen Signaler och system. Amerikanska böcker av ovanstående slag är ofta ganska omfattande (och ibland relativt "pratiga") vad gäller textmassan. De två böckerna ovan är t.ex. på c:a 1000 sidor respektive c:a 700 sidor. Vill man ha en mer kortfattad bok (på svenska) som är bättre anpassad till kursen rekommenderar vi Sune Söderkvists textbok ovan (c:a 400 sidor). I sammanhanget bör nämnas att även Söderkvists bok täcker mer än vår kurs. Där behandlas även transistorer, och förstärkarsteg byggda med transistorer.

5. Examination

Examinationen består av två delar, som rapporteras var för sig till LADOK:

• UPG1, som består av två inlämningsuppgifter, och
• LAB1, som består av en lab och en projektuppgift.

5.1 Inlämningsuppgifter (UPG1)

Varje teknolog får vid första lektionstillfället kvittera ut en unik uppsättning av två inlämningsuppgifter; en uppgift från vardera av följande kategorier:

• Uppgift 1: Likströmsteori. (Slinganalys/Nodanalys. Ekvivalent enport.)
• Uppgift 2: Växelströmsteori. (Transformatorkopplingar. j-metoden. Anpassning.)

Varje uppgift tar ganska mycket tid att lösa varför arbetet med inlämningsuppgifterna bör påbörjas ganska snart efter kursstart.

Inlämning av lösningar:

Inlämningsuppgifterna inlämnas efter hand till Sune Söderkvist för bedömning. Inlämning sker i därför avsedd svarta postlåda utanför Sunes kontor i hus B, en trappa upp, korridor D, mellan ingångarna 25 och 27 (närmast 25). Lösningar kan även lämnas personligen i samband med föreläsningar.

Lösningar måste lämnas i härför avsedda konvolut för att över huvud taget rättas. Dessa delas ut tillsammans med uppgifterna.

Retur av bedömda lösningar:

Bedömda lösningar hämtas personligen vid på föreläsningarna, eller hos Sune Söderkvist på hans mottagningstider, som för närvarande är:

• Tisdagar och fredagar kl. 11.00-13.00

Dessa tider kan tillfälligtvis ändras.

Bedömning

Inlämnade uppgifter bedöms efter en tregradig skala:

• Rest (R)
• Godkänd (G)
• Väl Godkänd (VG)

Det är tre saker som är av intresse:

• Kvalitativa krav på lösningen.
• Möjlighet att bättra på lösningen för förnyad bedömning.
• Några datum

Vi tar dem i ordning:

Kvalitativa krav på lösningen

Kortfattat innebär dessa krav att korrekta, välstrukturerade och läsliga lösningar ger VG, medan vissa brister accepteras för G. Lösningarna får vara handskrivna, men om du har en kroniskt svårläst handstil kan du falla på kravet läslighet. Då kan en ordbehandlad lösning vara att föredra.
 
Krav för VG:

1. Inga principfel i lösningen.
2. Svaret rätt.
3. Lösningsgången lätt att följa och inte onödigt omständlig.
4. Lösningen väl motiverad.
5. Redovisningen inte onödigt omfångsrik.
6. Snygg och prydlig lösning.

 

Krav för G:

Brister i två av punkterna 3.-6. för VG tillåten.

G kan även ges om svaret inte är helt korrekt. Detta under förutsättning att lösningen i övrigt uppfyller ovanstående krav samt att avvikelsen i svaret inte är alltför stor.

Möjlighet att bättra på lösningen för förnyad bedömning

• Om din lösning fått bedömningen R, måste du lämna in en ny lösning för bedömning. Detta kan upprepas hur många gånger som helst. Om du fått bedömningen R mer än två gånger försvinner möjligheten att få VG på den uppgiften.
• Om din lösning fått bedömningen G (före datumen nedan) kan du lämna in en ny lösning för bedömning ytterligare två gånger för att eventuellt höja till VG på den uppgiften.

Några datum

För att överhuvud taget få godkänt på denna del av kursen (UPG1) denna omgång har du på dig fram till 040130 att lämna in lösningar på dina uppgifter. De måste då bli bedömda med minst G. Om du aspirerar på högre betyg har du ytterligare två datum att ta hänsyn till:

• Uppgift 1: 030409, kl. 9.00.
• Uppgift 2: 030509, kl. 9.00.

En lösning som lämnats in senast dessa datum och blivit bedömd med G kan du bättra på och lämna in igen för bedömning VG enligt ovan. Denna plusningsmöjlighet sträcker sig till sistadatumet 040130. Har du inte lyckats få G på lösningar som lämnats in senast dessa datum försvinner möjligheten att få VG på den uppgiften.

När båda uppgifterna är godkända rapporteras denna del av kursen (UPG1) in till LADOK i samband med nästföljande tentamensperiod. Har du inte lyckats få minst godkänt på alla inlämningsuppgifter enligt kriterierna ovan, får du ta nya tag med nya uppgifter nästa gång kursen ges.

5.2 Labkursen (LAB1)

Labkursen består av en traditionell 4-timmarslab (labpass 1), och en projektuppgift uppdelad på ett 2-timmarspass (labpass 2) och ett 4-timmarspass (labpass 3). Som vanligt, är dessa labbar obligatoriska. Labpass 2 kan dock göras på egen hand (se nedan). Dessa laborationer genomförs klassvis i grupper om två studenter (se ordinarie schema). Du behöver därför ej anmäla dig, och du förutsätts närvara på de laborationer som schemalagts för din klass.

Labpass 1 och 3 äger rum i Telekomlabbet, som finns på bottenplan i hus B, korridor C, mellan ingångarna B25 och B27. Labpass 2 äger rum i Freja, som finns en trappa upp i hus B, korridor D, mellan ingångarna B25 och B27.

När både labben och projektuppgiften är godkända rapporteras denna del av kursen (LAB1) in till LADOK i samband med nästföljande tentamensperiod.

Labpass 1

Denna laboration behandlar komponenter. För att du ska hinna genomföra laborationen på tillgänglig tid och för att laborationerna ska ge maximalt utbyte ska det teoretiska underlaget vara inhämtat och förberedelseuppgifterna lösta inför laborationen. (Angående teoretiskt underlag och förberedelseuppgifter; se lab-PM.)

Om laborationen är otillräckligt förberedd blir du avvisad från lab.-platsen och får återkomma vid senare tillfälle.

Denna laboration godkänns av labassistenten efter fullgjord lab. Ingen ytterligare rapportering erfordras.

Projektuppgiften (Labpass 2-3)

Projektuppgiften genomförs i grupper om 2 studenter per grupp. Projektuppgiften kvitteras ut separat av lektionsassistenten, ungefär två veckor före labpass 2. Den innebär konstruktion och dimensionering av ett aktivt filter där samtliga moment som karaktäriserar ingenjörsmässigt konstruktionsarbete finns med.

Första momentet innebär beräkning av vissa komponentvärden för att filtret skall få önskade egenskaper. Detta måste varje grupp genomföra som förberedelse till nästa moment, som innebär simulering av konstruktionen varvid man verifierar att beräkningarna är korrekta. Simuleringsmomentet utgör labpass 2 enligt schemat och äger rum i PC-labbet Freja. (Detta moment kan man också arbeta med hemma i sin egen dator, om man har tillgång till programmet PSpice.) Stämmer inte simuleringen får beräkningarna göras om varefter ny simulering sker etc.

Denna procedur måste vara avklarad innan nästa steg i konstruktionsprocessen vidtar.

Nästa steg består av en hårdvarumässig uppkoppling av konstruktionen, där man mäter upp och jämför filtrets karaktäristik med simuleringsresultatet. Detta moment avslutas med att man får filtrera signalen från en CD-spelare genom sitt filter och lyssna på resultatet. Detta är den andra 2 timmars-labben, som också är en obligatorisk laboration och därför räknas in i lab-kursen. Det finns också möjlighet att under labpass 3 göra om delar av simuleringen från labpass 2, om det skulle visa sig att något blivit fel.
Detta moment genomförs i Telekom-labbet.

Slutligen inlämnas skriftlig redogörelse till examinator. I denna redogörelse ska samtliga moment i konstruktionsprocessen vara noggrant dokumenterade. Bedömning av redogörelsen sker på samma sätt som bedömningen av inlämningsuppgifterna (se ovan).

Efter 030605 (kl. 9.00) försvinner möjligheten att få VG på projektuppgiften. Precis som för inlämningsuppgifterna har ni på er fram till 040130 att lämna in redogörelsen. Om projektuppgiften ej blivit godkänd i samband med detta datum, får ni ta nya tag med en ny projektuppgift nästa gång kursen ges.

5.3 Betygskrav

Betyget på kursen baseras dels på bedömningen av inlämningsuppgifterna, och dels på bedömningen av projektuppgiften, enligt följande:

• Betyg 3: Minst G på alla tre uppgifter.
• Betyg 4: Två VG och ett G.
• Betyg 5: VG på alla tre uppgifter.

Är du inte nöjd med det betyg du fått, får du ta nya tag med nya uppgifter nästa gång kursen ges.

6. Föreläsningar

Observera att nedanstående tidplan främst skall tolkas som en indikation på ungefär när respektive kursmoment behandlas. Det föreläsningsmaterial som finns att köpa av Bokakademin, innehåller de flesta stordiabilder som kommer att användas på föreläsningarna. Detta material underlättar under föreläsningarna, varför jag starkt rekommenderar det.

Fö. nr.	Kapitel	Huvudmoment	Delmoment
1	1.1-1.4, 1.6-1.8.3, 3.1-3.2	Likströmsteori	Grundläggande lagar och samband, slinganalys.
2	1.8.4, 1.9.1-1.9.2, 1.10	Likströmsteori	Sling- och Nodanalys, superposition, tvåpolssatsen, Nortons teorem.
3	1.5	Likströmsteori	Effektbegreppet, anpassning.
	1.12, 2.1-2.2, 3.3, 3.5	Växelströmsteori	Nätelement. Upp- och urladdning av kapacitanser. Dioder, likriktning.
4	2.1-2.4, 2.6, 2.11, 3.3-3.4	Växelströmsteori	Stationär sinussignal, j-metoden, reaktiva element, impedans. Logaritmiska förstärkningsmått. Passiva filter.
5	2.5, 2.7, 2.9	Växelströmsteori	Något om visardiagram, Effektbegrepp, faskompensering, anpassning.
6	2.8-2.9	Växelströmsteori	Ömsesidig induktion, ideala transformatorer. Mer om anpassning.
7	4.11	Förstärkarteknik	Operationsförstärkare, standardkopplingar, metodik.
8	Se ovan	Repetition	Kort repetition om vad vi behandlat innan uppehållet.
	4.9, 4.11	Förstärkarteknik	Aktiva filter, dimensionering.

OBS!
Komplexa tal och hantering av dessa är ett mycket flitigt använt verktyg i kursen. Den som inte känner sig helt säker på detta bör läsa Appendix B i läroboken och räkna några tal från någon lämplig exempelsamling i matematik.

Jag vill rekommendera att du inför varje föreläsning åtminstone översiktligt läser igenom aktuellt avsnitt i läroboken. I annat fall är risken stor att föreläsningarna inte ger önskat utbyte!

7. Lektioner

Lektionerna bör ses som resurstillfällen där teknologerna har möjlighet att diskutera problemlösning med assistenten.

I målbeskrivningen anges (inom parentes) för de flesta punkter övningsuppgifter i övningsboken som behandlar aktuellt moment. De uppgifter som markerats med fet stil är uppgifter som ni starkt rekommenderas att lösa innan ni ger er i kast med respektive inlämningsuppgift. Vid behov räknar man fler uppgifter!

Erfarenheten säger att det är mycket oklokt att direkt kasta sig över inlämningsuppgifterna, utan att först ha löst några enklare uppgifter och på så vis byggt upp en viss förståelse omkring de olika problemtyperna!

Nedan följer ett förslag på lämpliga uppgifter att behandla i samband med lektionerna. Du bör själv ha tittat igenom uppgifterna inför lektionerna, för att de ska ge önskat utbyte.

Lektion	Huvudmoment	Delmoment	Uppgifter
1	Likströmsteori	Grunder	1-1, 1-3, 1-5, 1-9
	Likströmsteori	Enkla metoder	1-6, 1-8, 1-10, 1-12, 1-13, 1-15
2	Likströmsteori	Analysmetoder	1-24, 1-27, 1-29, 1-43, 1-44
3	Likströmsteori	Analysmetoder	B-2, B-3
		Dioder	3-12, 3-14, 3-18
4	Växelströmsteori	Grunder	2-3, 2-5
		j-metoden	2-14, 2-15
		Impedans	2-21, 2-24
5	Växelströmsteori	Effektbegrepp	2-10, 2-36, B-18
		Anpassning, transf.	2-53, 2-58
6-8	Förstärkarteknik	dB-begreppet	4-27, 4-28, 4-29, 4-30
		Standardkopplingar	4-34, 4-36, 4-37, B-36, 4-38
		Aktiva filter	4-35, 4-39, 4-40

Frågor inför de olika lektionerna kan skickas till respektive lektionsassistent via epost, senast dagen innan respektive lektion. Frågor kan ställas på såväl uppgifter i övningsboken som på inlämningsuppgifter. Vid lektionstillfällena besvarar assistenten i första hand de frågor som insänts via mejl. För likartrade frågeställningar ges sammanfattande svar. I andra hand besvarar assistenten frågor i anslutning till övningsboken, och i tredje hand direkta frågor på inlämningsuppgifterna.

Frågor på inlämningsuppgifterna måste vara konkreta och väl genomtänkta. Det är inte meningen att assistenten skall lösa inlämningsuppgifterna åt dig.

8. Målbeskrivning

Kursen har tre huvudmoment: Likströmsteori, växelströmsteori och förstärkarteknik. Här följer målbeskrivning för varje huvudmoment. För varje delmoment anges uppgifter som behandlar momentet. De uppgifter som markerats med fet stil är uppgifter som ni rekommenderas att lösa innan ni ger er i kast med inlämningsuppgifterna.

8.1. LIKSTRÖMSTEORI

• Att kunna definiera och förstå begreppen ström, spänning, potential och effekt. (1-9)
• Att behärska begreppen graf, nod, gren, maska.
• Att förstå skillnaden mellan ström- och spänningskällor samt att veta vilka egenskaper såväl ideala som icke-ideala källor har. (1-1, 1-5, 1-15, 1-16)
• Att förstå skillnaden mellan nätelement och komponenter. (1-14, 1-15, 1-16)
• Att kunna ställa upp samband mellan strömmar och spänningar i en elektrisk likströmskrets med hjälp av Kirchhoffs strömlag, Kirchhoffs spänningslag och Ohms lag. (1-1, 1-5, 1-10, 1-11, 1-12, 1-13, 1-15, B-1)
• Att kunna beräkna ekvivalent resistans vid seriekoppling respektive parallellkoppling mellan ett godtyckligt antal resistanser. (1-2, 1-3)
• Att kunna tillämpa spänningsdelningsformeln på ett godtyckligt antal seriekopplade resistanser. (1-5 a, 1-6, 1-7)
• Att kunna tillämpa strömdelningsformeln på ett godtyckligt antal parallell-kopplade resistanser. (1-5 d,1-8a, b, 1-11 b)
• Att kunna eliminera ström- och spänningskällor som är ensamma i sin gren, samt att kunna eliminera nätelement som är överflödiga i sin gren.
  (1-26, 1-27, 1-28, 1-29, 1-31 a)
• Att kunna ställa upp de ekvationer som behövs för att beräkna ström eller spänning i ett plant likströmsnät dels genom slinganalys dels genom nodanalys. Den "långa vägen" utgående från Kirchhoffs lagar måste behärskas. Den "korta vägen" med formell metodik måste inte behärskas men kan med fördel användas.
  (1-22, 1-23, 1-24, 1-25, 1-26, 1-27, 1-28, 1-29, 1-30, B-2)
• Att kunna bestämma hur många ekvationer respektive metod kräver utgående från nätets graf.
• Att kunna använda nodanalys för beräkningar på ett tredimensionellt likströmsnät. (B-3)
• Att kunna bestämma inre resistansen hos en given enport, dels genom att nollställa samtliga källor i enporten och sedan använda serie- och parallell-kopplingsformler eventuellt i kombination med -Y-transformationer, dels som kvoten mellan tomgångsspänning och kortslutningsström. (1-16, 1-43, 1-44, 1-45)
• Att kunna bestämma såväl en Thévenin- som en Nortonekvivalent till en enport. (1-43, 1-45, 1-46)
• Att kunna göra effektberäkningar i likströmsnät. (1-14, 1-17,1-18, 1-19)
• Att förstå innebörden av begreppet effektanpassning, samt kunna härleda villkoret för effektanpassning. (1-20)
• Att vid behov kunna använda -Y- eller Y--transformationer vid kretsberäkning. (1-49, 1-50, 1-51)

8.2. VÄXELSTRÖMSTEORI

• Att vara väl förtrogen med egenskaper och funktion hos kondensator och spole (induktor) samt motsvarande nätelement kapacitans respektive induktans. (2-1, 2-2, 2-11, 2-12, 2-13, 3-5, 3-6, 3-8, 3-9, B-12)
• Att kunna ställa upp och lösa de differentialekvationer som gäller vid upp- och urladdning av kapacitans och induktans. (B-15)
• Att förstå vad som händer när snabbt- respektive långsamt varierande ström/spänning ansluts till kapacitans/induktans i serie med en resistans.
• Att behärska, samt förstå skillnaden mellan, olika modeller för stationär sinusformad växelström (vågdiagram, sinusfunktion, visardiagram, komplext uttryck). (2-2, 2-4)
• Att kunna beräkna strömmar och spänningar i ett växelströmsnät med användning av j-metoden. (2-14, 2-15, 2-16, 2-17, 2-18, 2-19, 2-20, B-13)
• Att kunna definiera begreppen samt bestämma impedans, resistans, konduktans, admittans, reaktans och susceptans för en växelströmsenport.
  (2-21, 2-22, 2-23, B-14)
• Att förstå innebörden av serieresonans respektive parallellresonans.
  (2-23, 2-24, 2-25, 2-26, 2-27, 2-28)
• Att förstå begreppen samt kunna beräkna momentan, komplex, aktiv, reaktiv och skenbar effekt för en impedans.
  (2-33, 2-34, 2-35, 2-36, 2-37, 2-40, 2-41, 2-43, B-16, B-17, B-18)
• Att förstå vad faskompensering innebär samt kunna beräkna värdet av en kapacitans/induktans så att faskompensering erhålls. (2-38, 2-39, 2-42)
• Att kunna använda j-metoden för att beräkna strömmar och spänningar i nät som innehåller transformatorkopplingar; med ideala transformatorer.
  (2-52, 2-53, 2-56, B-19)
• Att behärska impedanstransformering för beräkning på kretsar som innehåller ideal transformator. (2-52, 2-53, 2-56, B-19)
• Att förstå vad anpassning innebär samt behärska de villkor för anpassning som gäller vid olika typer av variabla belastningar.
  (2-53, 2-54, 2-55, 2-56, 2-57, 2-58)
• Att kunna definiera begreppen LP-, HP-, BP, BS-filter; även ideala, samt vad som menas med gränsfrekvens och bandbredd.
• Att kunna avgöra vilken typ av filter en given krets utgör. (2-30, 2-31, 2-32, B-21)
• Att förstå innebörden av begreppen amplitud- och faskaraktäristik.
• Att kunna beräkna och skissera amplitudkaraktäristik och faskaraktäristik samt bestämma gränsfrekvens(er) för ett elektriskt filter.

8.3. FÖRSTÄRKARTEKNIK

• Att känna till konstruktion och funktion av diod, zenerdiod, fotodiod, tunneldiod, lysdiod. (3-11, 3-13, 3-14)
• Att kunna bestämma belastningslinje samt arbetspunkt för såväl diod som zenerdiod ingående i en likströmskrets. (3-12, 3-15, 3-17)
• Att kunna dimensionera resistansvärden så att en diod eller en zenerdiod får önskad arbetspunkt. (3-16)
• Att kunna dimensionera resistansvärden så att en diod eller en zenerdiod ej överskrider specificerad maximal effektutveckling. (3-18)
• Att kunna beskriva samt använda de tre gängse modellerna för OP-förstärkare vid beräkning på förstärkare innehållande OP. (4-35, 4-38, B-35, B-36)
• Att kunna beskriva principfunktionen av en ideal OP-förstärkare; dels vid stationärt tillstånd dels dynamiskt initialförlopp.
• Att kunna bestämma sambandet mellan utspänning och inspänning för olika typer av OP-förstärkarkopplingar, t.ex. vanlig negativt återkopplad OP, icke-inverterande OP-förstärkare, integrator och olika typer av aktiva filter.
  (4-34, 4-36, 4-37, 4-39, 4-40)
• Att kunna beskriva sambandet mellan råförstärkning och frekvens för en OP-förstärkare.
• Att kunna redogöra för sambandet mellan frekvens och bandbredd för en OP-förstärkare.
• Att kunna omvandla spännings- och effektförstärkningsvärden till dB-värden och vice versa. (4-27, 4-28, 4-33)
• Att förstå begreppen dB/oktav och dB/dekad samt kunna beräkna dessa värden för filter och förstärkare. (4-31, 4-32)
• Att förstå innebörden av begreppet kaskadkoppling, samt kunna bestämma total förstärkning vid kaskadkoppling av ett godtyckligt antal förstärkarsteg.
  (4-29, 4-30)