Źródło napięcia Vₛ między A i B ma zacisk + po stronie B, więc VB − VA = Vₛ. Użyj metody potencjałów węzłowych z superwęzłem, aby wyznaczyć prąd Ix przez źródło napięcia, od A do B zgodnie ze strzałką.
Is = 3 AVs = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 5 Ω
Ix = A
4.Metoda potencjałów węzłowychTrudny
Źródło napięcia Vₛ między A i B ma zacisk + po stronie A, więc VA − VB = Vₛ. Użyj metody potencjałów węzłowych z superwęzłem, aby wyznaczyć potencjał węzła VA (mierzony względem masy).
Liniowy obwód rezystancyjny zawiera trzy niezależne źródła: V1, V2 i Is. Prąd I przez obciążenie zmierzono trzy razy. Przy wszystkich źródłach o wartościach normalnych I = 25,5 mA. Po podwojeniu V1 przy niezmienionych pozostałych dwóch I = 36 mA. Po odwróceniu kierunku Is przy niezmienionych pozostałych dwóch I = 15,5 mA. Wyznacz prąd obciążenia I, gdy V2 jest wyłączone, a V1 i Is mają wartości normalne.
wartości normalne: I = 25,5 mA2·V1: I = 36 mA−Is: I = 15,5 mA
I = mA
9.Thévenin i NortonŚredni
Wyznacz rezystancję Thévenina Rth widzianą z zacisków a–b.
V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin i NortonTrudny
Między a–b podłączono obciążenie RL = 10 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.
Źródło Vₛ ładuje kondensator przez R₁, a R₂ jest połączony równolegle z C. Kondensator jest rozładowany, gdy łącznik zamyka się w t = 0. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 40 ms.
Vs = 24 VR1 = 1 kΩR2 = 3,3 kΩC = 47 µFt = 40 ms
vC = V
14.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Łącznik równoległy do R2 był długo zamknięty, więc prąd cewki jest ustalony. W t = 0 łącznik się otwiera. Wyznacz prąd cewki i w chwili t = 1 ms.
Vs = 10 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 0,342 A
Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.
Łącz rezystory od najdalszego końca
Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.
R3 + R4 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 4·7/(4+7) = 2,545 Ω
Req = R1 + 2,545 = 15 + 2,545 = 17,55 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 6/17,55 = 0,342 A
Odpowiedź
IR1 = 0,342 A
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR2 = 1,152 A
Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.
Łącz rezystory od najdalszego końca
Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.
R5 + R6 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 7,727 Ω
R3 + 7,727 = 11,73 Ω
R2 ∥ 11,73 = 1,709 Ω
Req = R1 + 1,709 = 25 + 1,709 = 26,71 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 36/26,71 = 1,348 A
Prąd przez R₂
Odejmij spadek na R₁, aby dostać potencjał węzła A, czyli napięcie na R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,348·25 = 2,303 V
IR2 = VA/R2 = 2,303/2 = 1,152 A
Odpowiedź
IR2 = 1,152 A
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: Ix = 2,625 A
Metoda potencjałów węzłowych: wybierz węzeł odniesienia, oznacz nieznane potencjały węzłów, zapisz prądowe prawo Kirchhoffa w każdym nieznanym węźle z prawa Ohma (I = ΔV/R) i rozwiąż równania.
Utwórz superwęzeł
Przez źródło napięcia między A i B płynie nieznany prąd, więc nie można zapisać PPK osobno w A ani w B. Obejmij A, B i źródło jednym superwęzłem: prąd do niego wpływający jest równy prądowi wypływającemu.
VB = VA + Vs = VA + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is
Rozwiąż
VA/3 + (VA + 12)/5 = 3
VA = (3 − 12/5)/(1/3 + 1/5) = 1,125 V
VB = 1,125 + 12 = 13,13 V
Prąd przez źródło napięcia
Wszystko, co przepływa przez źródło od A do B, opuszcza węzeł B przez R₂.
Ix = VB/R2 = 13,13/5 = 2,625 A
Odpowiedź
Ix = 2,625 A
Wynik ujemny oznacza, że rzeczywisty prąd płynie przeciwnie do strzałki.
4.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: VA = 21,11 V
Metoda potencjałów węzłowych: wybierz węzeł odniesienia, oznacz nieznane potencjały węzłów, zapisz prądowe prawo Kirchhoffa w każdym nieznanym węźle z prawa Ohma (I = ΔV/R) i rozwiąż równania.
Utwórz superwęzeł
Przez źródło napięcia między A i B płynie nieznany prąd, więc nie można zapisać PPK osobno w A ani w B. Obejmij A, B i źródło jednym superwęzłem: prąd do niego wpływający jest równy prądowi wypływającemu.
VB = VA − 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Rozwiąż
(VA − 30)/12 + VA/6 + (VA − 10)/5 = 5
VA·(1/12 + 1/6 + 1/5) = 5 + 30/12 + 10/5 = 9,5
VA = 9,5/0,45 = 21,11 V
VB = 11,11 V
Odpowiedź
VA = 21,11 V
5.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR1 = −0,6897 A
Metoda prądów oczkowych: każdemu oknu obwodu płaskiego przypisz własny prąd oczkowy, zapisz napięciowe prawo Kirchhoffa dla każdego oczka (suma spadków = suma wzrostów) i rozwiąż. Prądy gałęzi to prąd oczkowy lub różnica dwóch prądów oczkowych we wspólnej gałęzi.
Przypisz prądy oczkowe
Narysuj w każdym oknie prąd zgodny z ruchem wskazówek zegara: I1, I2. Rezystor wspólny dla dwóch oczek przewodzi różnicę ich prądów.
NPK w oczku 1
Idąc zgodnie z ruchem wskazówek zegara, spadki napięć na rezystorach równają się wzrostom napięć źródeł (od − do + w kierunku obiegu).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
12·I1 + 15(I1 − I2) = 15
27·I1 − 15·I2 = 15
NPK w oczku 2
Idąc zgodnie z ruchem wskazówek zegara, spadki napięć na rezystorach równają się wzrostom napięć źródeł (od − do + w kierunku obiegu).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 15(I2 − I1) = (−30)
−15·I1 + 18·I2 = −30
Rozwiąż
Δ = (27)(18) − (−15)(−15) = 261
I1 = Δ1/Δ = −180/261 = −0,6897 A
I2 = Δ2/Δ = −585/261 = −2,241 A
Odpowiedź
IR1 = I1 = −0,6897 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR5 = 0,96 A
Metoda prądów oczkowych: każdemu oknu obwodu płaskiego przypisz własny prąd oczkowy, zapisz napięciowe prawo Kirchhoffa dla każdego oczka (suma spadków = suma wzrostów) i rozwiąż. Prądy gałęzi to prąd oczkowy lub różnica dwóch prądów oczkowych we wspólnej gałęzi.
Przypisz prądy oczkowe
Narysuj w każdym oknie prąd zgodny z ruchem wskazówek zegara: I1, I2, I3. Rezystor wspólny dla dwóch oczek przewodzi różnicę ich prądów.
NPK w oczku 1
Idąc zgodnie z ruchem wskazówek zegara, spadki napięć na rezystorach równają się wzrostom napięć źródeł (od − do + w kierunku obiegu).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 15(I1 − I2) = 30
23·I1 − 15·I2 = 30
NPK w oczku 2
Idąc zgodnie z ruchem wskazówek zegara, spadki napięć na rezystorach równają się wzrostom napięć źródeł (od − do + w kierunku obiegu).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 15(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 43·I2 − 25·I3 = 0
NPK w oczku 3
Idąc zgodnie z ruchem wskazówek zegara, spadki napięć na rezystorach równają się wzrostom napięć źródeł (od − do + w kierunku obiegu).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
8·I3 + 25(I3 − I2) = (−36)
−25·I2 + 33·I3 = −36
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 10837
I1 = Δ1/Δ = 10320/10837 = 0,9523 A
I2 = Δ2/Δ = −5850/10837 = −0,5398 A
I3 = Δ3/Δ = −16254/10837 = −1,5 A
Odpowiedź
IR5 = I2 − I3 = 0,96 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: IR1 = −0,5634 A
Superpozycja: w obwodzie liniowym każde napięcie i każdy prąd to suma odpowiedzi na każde niezależne źródło działające osobno. Aby wyłączyć źródło, zastąp idealne źródło napięcia zwarciem, a idealne źródło prądu rozwarciem. Rezystory zostają na miejscu.
Przypadek 1 · działa tylko V1
Iₛ staje się rozwarciem, więc R₃ i R₄ tworzą jedną gałąź szeregową od A do masy, równolegle z R₂.
R3+R4 = 6+8 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·14/(10+14) = 5,833 Ω
VA = 10·5,833/(6+5,833) = 4,93 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,93·8/14 = 2,817 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (10 − 4,93)/6 = 0,8451 A
Przypadek 2 · działa tylko Is
V₁ staje się zwarciem, więc R₁ jest równolegle z R₂. Iₛ rozdziela się w B między R₄ a drogę przez R₃.
R1 ∥ R2 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 9,75 = 4,394 Ω
VB = Is·Req = 5·4,394 = 21,97 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,97·3,75/9,75 = 8,451 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 8,451)/6 = −1,408 A
Dodaj składowe
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,8451 + (−1,408) = −0,5634 A
Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości prąd płynie przeciwnie do strzałki.
8.Superpozycja
Odpowiedź: I = 15,5 mA
Superpozycja: w obwodzie liniowym każde napięcie i każdy prąd to suma odpowiedzi na każde niezależne źródło działające osobno. Aby wyłączyć źródło, zastąp idealne źródło napięcia zwarciem, a idealne źródło prądu rozwarciem. Rezystory zostają na miejscu.
Zapisz pomiary za pomocą wkładów
Każdy wkład jest proporcjonalny do własnego źródła.
I₁ + I₂ + I₃ = 25,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 36
I₁ + I₂ − I₃ = 15,5
Wyznacz wkłady
I₁ = 36 − 25,5 = 10,5 mA
I₃ = (25,5 − 15,5)/2 = 5 mA
I₂ = 25,5 − 10,5 − 5 = 10 mA
Wyłącz V₂
I = I₁ + I₃ = 10,5 + 5 = 15,5 mA
Odpowiedź
I = 15,5 mA
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: Rth = 9,714 Ω
Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.
Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach
Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.
R1 ∥ R2 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 8 = 9,714 Ω
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IL = −2,25 A
Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia Vth szeregowo z rezystancją Rth. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu IN = Vth/Rth równolegle z Rth.
Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach
Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.
R1 ∥ R2 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 5 = 8 Ω
Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego
Przy rozwartych a–b jedyną drogą dla Iₛ jest R₃ do węzła A. Wyznacz V_A z superpozycji V₁ i Iₛ, a potem dodaj spadek na R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 7,5 + (−6)·3 = −10,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10,5 + (−6)·5 = −40,5 V
Podłącz obciążenie do układu zastępczego Thévenina
Źródło Thévenina i R_th szeregowo zachowują się na a–b dokładnie jak pierwotny obwód, więc obciążenie widzi prostą pętlę szeregową.
IL = Vth/(Rth + RL) = −40,5/(8 + 10) = −2,25 A
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Rf = 89,3 kΩ
Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.
Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego
V₋ = V₊ = Vin, a prąd przez R₁ płynie też przez Rf, więc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (20 − 1)·4,7 = 89,3 kΩ
Odpowiedź
Rf = 89,3 kΩ
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = −0,9528 V
Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.
Prądy wejściowe
V₋ = 0, więc na każdym rezystorze wejściowym jest całe jego napięcie wejściowe.
I1 = V1/R1 = 0,6/22 = 0,02727 mA
I2 = V2/R2 = −0,7/100 = −0,007 mA
If = I1 + I2 = 0,02027 mA
Napięcie wyjściowe
Vout = −Rf·If = −47·0,02027 = −0,9528 V
Odpowiedź
Vout = −0,9528 V
13.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vC = 12,34 V
Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.
Obwód zastępczy Thevenina widziany przez kondensator
Zewrzyj źródło, aby wyznaczyć Rth; rozewrzyj kondensator, aby wyznaczyć napięcie, do którego się naładuje.
Rth = R1 ∥ R2 = 1·3,3/(1 + 3,3) = 0,7674 kΩ
vC(∞) = 24·3,3/(1 + 3,3) = 18,42 V
Stała czasowa
τ = Rth·C = 0,7674·47 = 36,07 ms
Krzywa ładowania
vC(t) = 18,42·(1 − e−40/36,07) = 12,34 V
Odpowiedź
vC = 12,34 V
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: i = 0,1991 A
Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.
Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa
Przed t = 0 zamknięty łącznik bocznikuje R₂; potem w obwodzie są zarówno R₁, jak i R₂.