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P 2.2-2 A linear element has voltage v and current i as shown in Figure P 2.2-2a. Values of the current i and corresponding voltage v have been tabulated as shown in Figure P 2.2-2b. Represent the element by an equation that expresses v as a function of i. This equation is a model of the element. (a) Verify that the model is linear. (b) Use the model to predict the value of v corresponding to a current of i = 40 mA. (c) Use the model to predict the value of i corresponding to a voltage of v = 3 V. |
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Hint: Plot the data. We expect the data points to lie on a
straight line. Obtain a linear model of the element by representing that
straight line by an equation. |
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Figure
P 2.2-2 |
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An electrical element is
linear if it satisfies both superposition and homogeneity. |
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Superposition requires
that a model that produces a v from an i, then consider two such points that follow: |
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Homogeneity requires that a
model that produces a v from an i, then consider
the following: |
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To test this since there are
no obvious points that are related, let’s plot this
in MATLAB and get a “best straight-line” and then we will have the model to
test linearity on. |
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From MATLAB, we find a
relationship |
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MATLAB found a slope of 0.12
(V/A) and a y-intercept of 1.65 x 10-16 V which is zero! |
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(a) Verify that the model is linear. |
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Superposition gives us |
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Superposition is valid! |
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Homogeneity gives us |
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Homogeneity is valid! |
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Model
is Linear! |
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(b) Use the model to predict the value of v corresponding to a current of i = 40 mA. |
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From MATLAB we find v from |
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(c) Use the model to predict the value of i corresponding to a voltage of
v = 3 V. |
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And again using MATLAB we
solved |
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MATLAB Plot and Code follows: |
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%Program
to Plot Element Properties in Problem 2.2-2 to determine %if the
element is a linear element. We can
also determine a %mathematical
model for the element. %Version
2019-2-19 D.W. Donovan clear all; v = [-3.6 2.4
6.0]'; i = [-30 20
50]'; x = i; y = v; a(:,2) = i; a(:,1) =
ones(size(i,2)); c = a\v; b = c(1); m = c(2); inew = [min(i) : (max(i) - min(i))/1000 : max(i)]'; vnew = m*inew +b; vb = m*(0.040)
+b; ic = (3-b)/m; |
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ls = ['Model Slope
is ' num2str(m) ' (V/A)']; ly = ['Model
Y-intercept is ' num2str(b) ' (V)']; lv = ['v(i = 40 mA) = ' num2str(vb)
'
(V)']; li = ['i(v = 4 V) = ' num2str(ic)
'
(A)']; ans = {'Slope ' m; 'Y-intercept
'
b; 'v(i = 40
mA)(V) ' vb; 'i(v
= 3 V)(A) ' ic}; ans figure hold on plot(i, v, 'k *','MarkerSize',20) plot(inew, vnew, 'k-', 'LineWidth', 3) plot(max(i), min(v), '.w') plot(max(i), min(v), '.w') plot(max(i), min(v), '.w') plot(max(i), min(v), '.w') tt1 = 'PH 320
Homework Problem 2.2-2'; tt2 = 'Voltage vs
Current for a Circuit Element'; ttn = 'D.W.
Donovan -- '; tnl = '\newline'; ttf = [tt1 tnl tt2 tnl ttn
date]; xl = 'Current, i, (A)'; yl = 'Voltage, v,
(V)'; sp = 1; axxmin = min(x)-sp; axxmax = max(x) + sp; axymin = min(y) - sp; axymax = max(y) + sp; title (ttf,'FontSize', 16) xlabel(xl, 'FontSize', 16) ylabel(yl, 'FontSize', 16) legend ('Raw Data', 'Model
Curve', ls, ly, lv, li,'Location','SE') legend ('boxoff') axis([axxmin axxmax axymin axymax]) |
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%{ ans = 'Slope ' [ 0.1200] 'Y-intercept ' [1.6458e-16] 'v(i = 40
mA)(V) ' [ 0.0048] 'i(v = 3 V)(A)
' [ 25.0000] %} |
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