Teoria obwodów 1: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 14 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadania Wróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Rezystory szeregowo i równolegle

Rezystory połączone szeregowo: R_eq = R₁ + R₂ + …
Rezystory połączone równolegle: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Dwa równolegle: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Prawo Ohma: V = I·R
Moc: P = V·I = I²R = V²/R

Metoda

Zacznij od końca sieci najdalszego od zacisków.
Rezystory szeregowe łącz, dodając je, a równoległe ze wzoru 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Po każdym kroku narysuj obwód od nowa.
Powtarzaj, aż między zaciskami zostanie jeden rezystor.

Metoda potencjałów węzłowych

Prądowe prawo Kirchhoffa: ΣI_in = ΣI_out
Prąd gałęzi: I = (V_a − V_b)/R
Węzeł odniesienia: V_ground = 0

Metoda

Wybierz węzeł odniesienia (masę) i oznacz potencjały pozostałych węzłów.
Napisz prądowe prawo Kirchhoffa dla każdego nieznanego węzła: prądy wypływające przez każdą gałąź są równe prądom wpływającym.
Wyraź każdy prąd gałęziowy jako (V_a − V_b)/R.
Rozwiąż układ równań, a potem wyznacz potrzebne prądy.

Metoda prądów oczkowych

Napięciowe prawo Kirchhoffa: ΣV = 0 w każdym oczku
Rezystor wspólny: prąd = I₁ − I₂
Źródło prądu w oczku: wyznacza prąd tego oczka

Metoda

Narysuj prąd płynący zgodnie z ruchem wskazówek zegara w każdym oczku (okienku) obwodu.
Zastosuj napięciowe prawo Kirchhoffa w każdym oczku: suma spadków napięć jest równa zeru.
W rezystorze wspólnym dla dwóch oczek prąd jest różnicą dwóch prądów oczkowych.
Rozwiąż równania; wynik ujemny oznacza, że prąd płynie w przeciwną stronę.

Superpozycja

Superpozycja: x = x₁ + x₂ + … (one source at a time)
Wyłączone źródło napięcia: zwarcie (0 V)
Wyłączone źródło prądu: rozwarcie (0 A)
Dzielnik napięcia: V₂ = V·R₂/(R₁ + R₂)
Dzielnik prądu: I₁ = I·R₂/(R₁ + R₂)

Metoda

Policz niezależne źródła. Dla każdego źródła rozwiążesz jeden prostszy obwód.
Zostaw jedno źródło, a pozostałe wyłącz: źródło napięciowe staje się zwarciem (przewodem), źródło prądowe staje się rozwarciem (przerwą).
Rozwiąż prostszy obwód dla potrzebnego napięcia lub prądu, pilnując jego kierunku.
Powtórz dla każdego źródła, a potem dodaj składowe z ich znakami.

Thévenin i Norton

Napięcie Thévenina: V_th = V_{open circuit}
Rezystancja Thévenina: R_th: wszystkie źródła wyłączone, widziana z a–b
Prąd Nortona: I_N = V_th/R_th
Prąd obciążenia: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Maksymalne przekazywanie mocy: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Metoda

Odłącz obciążenie i oznacz dwa zaciski a i b.
Wyznacz napięcie stanu jałowego między a i b: to jest V_th.
Wyłącz wszystkie niezależne źródła i wyznacz rezystancję widzianą z a–b: to jest R_th.
Podłącz obciążenie z powrotem do obwodu zastępczego: V_th szeregowo z R_th.
Dla obwodu zastępczego Nortona przelicz: I_N = V_th/R_th, z R_N = R_th równolegle.

Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Wzmacniacz odwracający: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Wzmacniacz nieodwracający: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Wzmacniacz sumujący: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Idealny wzmacniacz operacyjny: V₊ = V₋, I_in = 0

Stany nieustalone RC i RL

Stała czasowa: τ = RC | τ = L/R
Odpowiedź układu: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Kondensator przy prądzie stałym: rozwarcie; v_C nie może zmienić się skokowo
Cewka przy prądzie stałym: zwarcie; i_L nie może zmienić się skokowo
Stan ustalony: t ≈ 5τ

Metoda

Wyznacz wartość początkową tuż po przełączeniu: napięcie na kondensatorze i prąd cewki nie mogą zmienić się skokowo.
Wyznacz wartość końcową długo po przełączeniu: kondensator zachowuje się jak rozwarcie, a cewka jak zwarcie.
Wyznacz stałą czasową: τ = RC lub τ = L/R, z rezystancją widzianą przez kondensator lub cewkę.
Użyj x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

2Zadania do ćwiczenia

1.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni

Wyznacz prąd I_R1 dostarczany przez źródło, płynący przez R₁.

V₁ = 15 VR₁ = 8 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 20 Ω

I_R1 = A

2.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny

Wyznacz prąd I_R1 dostarczany przez źródło, płynący przez R₁.

V₁ = 30 VR₁ = 8 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 8 ΩR₅ = 30 ΩR₆ = 5 Ω

I_R1 = A

3.Metoda potencjałów węzłowychŚredni

Między węzłem A a masą są włączone trzy gałęzie, jak na rysunku. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć prąd I₁ w gałęzi 1, płynący w górę do węzła A zgodnie ze strzałką.

V₁ = 18 VR₁ = 2 ΩV₂ = 24 VR₂ = 2 ΩV₃ = 9 VR₃ = 20 Ω

I₁ = A

4.Metoda potencjałów węzłowychTrudny

Źródło napięcia Vₛ między A i B ma zacisk + po stronie A, więc V_A − V_B = Vₛ. Użyj metody potencjałów węzłowych z superwęzłem, aby wyznaczyć prąd I_R1 płynący przez R₁ w kierunku strzałki.

V₁ = 12 VI_s = 6 AV_s = 6 VR₁ = 3 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 30 Ω

I_R1 = A

5.Metoda prądów oczkowychŚredni

Użyj metody prądów oczkowych, aby wyznaczyć napięcie V_R1 na R₁ o zaznaczonej biegunowości.

V₁ = 12 VV₂ = 24 VR₁ = 3 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 2 Ω

V_R1 = V

6.Metoda prądów oczkowychTrudny

Użyj metody prądów oczkowych, aby wyznaczyć prąd oczkowy I₁ (zgodnie z ruchem wskazówek zegara).

V₁ = 5 VV₂ = 36 VR₁ = 12 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 30 Ω

I₁ = A

7.SuperpozycjaŚredni

Użyj metody superpozycji, aby wyznaczyć prąd I_R2 płynący przez R₂ w kierunku strzałki.

V₁ = 15 VI_s = 3 AR₁ = 2 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 2 Ω

I_R2 = A

8.SuperpozycjaTrudny

Użyj metody superpozycji, aby wyznaczyć prąd I_R2 płynący przez R₂ w kierunku strzałki.

V₁ = 12 VI_s = 1,5 AV₂ = 9 VR₁ = 2 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 5 Ω

I_R2 = A

9.Thévenin i NortonŚredni

Wyznacz napięcie Thévenina V_th widziane z zacisków a–b.

V₁ = 30 VR₁ = 2 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 15 Ω

V_th = V

10.Thévenin i NortonTrudny

Między a–b podłączono obciążenie R_L = 15 Ω. Użyj układu zastępczego Thévenina, aby wyznaczyć moc P_L dostarczaną do obciążenia.

V₁ = 30 VI_s = 2 AR₁ = 8 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 2 ΩR_L = 15 Ω

P_L = W

11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni

Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Wyznacz napięcie wyjściowe V_out.

V_in = 5 VR_a = 22 kΩR_b = 1 kΩR₁ = 1 kΩR_f = 1 kΩ

V_out = V

12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny

Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Stosunki rezystorów nie są dopasowane. Wyznacz napięcie wyjściowe V_out.

V₁ = 0,9 VV₂ = −1,5 VR₁ = 22 kΩR₂ = 100 kΩR₃ = 100 kΩR₄ = 47 kΩ

V_out = V

13.Stany nieustalone RC i RLŚredni

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 v_C w chwili t = 150 ms.

V_s = 12 VR₁ = 3,3 kΩR₂ = 10 kΩC = 22 µFt = 150 ms

v_C = V

14.Stany nieustalone RC i RLTrudny

Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 12 V o zaznaczonej biegunowości. Po jakim czasie v_C osiągnie 13,2 V? Wyznacz t.

V_s = 15 VR = 10 kΩC = 47 µFv_C(0) = 12 V

t = ms

3Roztwory

1.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: I_R1 = 0,976 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 = 8 + 20 = 28 Ω

R₂ ∥ 28 = 10·28/(10+28) = 7,368 Ω

R_eq = R₁ + 7,368 = 8 + 7,368 = 15,37 Ω

Prąd ze źródła

Źródło widzi tylko R_eq, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 15/15,37 = 0,976 A

Odpowiedź

I_R1 = 0,976 A

2.Rezystory szeregowo i równolegle

Odpowiedź: I_R1 = 2,674 A

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 = 30 + 5 = 35 Ω

R₄ ∥ 35 = 6,512 Ω

R₃ + 6,512 = 16,51 Ω

R₂ ∥ 16,51 = 3,22 Ω

R_eq = R₁ + 3,22 = 8 + 3,22 = 11,22 Ω

Prąd ze źródła

Źródło widzi tylko R_eq, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 30/11,22 = 2,674 A

Odpowiedź

I_R1 = 2,674 A

3.Metoda potencjałów węzłowych

Odpowiedź: I₁ = −1,214 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.

PPK w węźle A

Przyjmij dolny przewód jako masę. Każda gałąź odprowadza z A prąd (V_A − V_k)/R_k, gdzie V_k to napięcie jej źródła (zero dla samego rezystora). Prądy wypływające z A sumują się do zera.

(V_A − 18)/2 + (V_A − 24)/2 + (V_A − 9)/20 = 0

Wyznacz V_A

V_A = (18/2 + 24/2 + 9/20) / (1/2 + 1/2 + 1/20) = 21,45/1,05 = 20,43 V

Prąd gałęzi

Strzałka wskazuje w górę wzdłuż gałęzi, do węzła A.

I₁ = (18 − V_A)/R₁ = (18 − 20,43)/2 = −1,214 A

Odpowiedź

I₁ = −1,214 A

Wynik ujemny oznacza, że rzeczywisty prąd płynie przeciwnie do strzałki.

4.Metoda potencjałów węzłowych

Odpowiedź: I_R1 = −2,915 A

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.

V_B = V_A − 6

(V_A − V₁)/R₁ + V_A/R₂ + V_B/R₃ = I_s

Rozwiąż

(V_A − 12)/3 + V_A/8 + (V_A − 6)/30 = 6

V_A·(1/3 + 1/8 + 1/30) = 6 + 12/3 + 6/30 = 10,2

V_A = 10,2/0,4917 = 20,75 V

V_B = 14,75 V

Prąd przez R₁

I_R1 = (V₁ − V_A)/R₁ = (12 − 20,75)/3 = −2,915 A

Odpowiedź

I_R1 = −2,915 A

Wynik ujemny oznacza, że rzeczywisty prąd płynie przeciwnie do strzałki.

5.Metoda prądów oczkowych

Odpowiedź: V_R1 = 5,778 V

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

3·I₁ + 2(I₁ − I₂) = 12

5·I₁ − 2·I₂ = 12

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

15·I₂ + 2(I₂ − I₁) = (−24)

−2·I₁ + 17·I₂ = −24

Rozwiąż

Δ = (5)(17) − (−2)(−2) = 81

I₁ = Δ₁/Δ = 156/81 = 1,926 A

I₂ = Δ₂/Δ = −96/81 = −1,185 A

Odpowiedź

I_R1 = I₁ = 1,926 A

V_R1 = I_R1·R₁ = 1,926·3 = 5,778 V

Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

6.Metoda prądów oczkowych

Odpowiedź: I₁ = −0,5574 A

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

12·I₁ + 30(I₁ − I₂) = 5

42·I₁ − 30·I₂ = 5

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 + 30(I₂ − I₁) + 30(I₂ − I₃) = 0

−30·I₁ + 63·I₂ − 30·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

15·I₃ + 30(I₃ − I₂) = (−36)

−30·I₂ + 45·I₃ = −36

Rozwiąż

Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 40770

I₁ = Δ₁/Δ = −22725/40770 = −0,5574 A

I₂ = Δ₂/Δ = −38610/40770 = −0,947 A

I₃ = Δ₃/Δ = −58356/40770 = −1,431 A

Odpowiedź

I₁ = −0,5574 A

Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

7.Superpozycja

Odpowiedź: I_R2 = 0,9 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 = 12+2 = 14 Ω

R₂ ∥ (R₃+R₄) = 12·14/(12+14) = 6,462 Ω

V_A = 15·6,462/(2+6,462) = 11,45 V

V_B = V_A·R₄/(R₃+R₄) = 11,45·2/14 = 1,636 V

I_R2′ = (V_A − 0)/R₂ = (11,45 − 0)/12 = 0,9545 A

Przypadek 2 · działa tylko I_s

V₁ staje się zwarciem, więc R₁ jest równolegle z R₂. Iₛ rozdziela się w B między R₄ a drogę przez R₃.

R₁ ∥ R₂ = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω

R_eq = R₄ ∥ (R₃+R₁∥R₂) = 2 ∥ 13,71 = 1,745 Ω

V_B = I_s·R_eq = (−3)·1,745 = −5,236 V

V_A = V_B·(R₁∥R₂)/(R₃+R₁∥R₂) = −5,236·1,714/13,71 = −0,6545 V

I_R2″ = (V_A − 0)/R₂ = (−0,6545 − 0)/12 = −0,05455 A

Dodaj składowe

I_R2 = I_R2′ + I_R2″

I_R2 = 0,9545 + (−0,05455) = 0,9 A

Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości prąd płynie przeciwnie do strzałki.

8.Superpozycja

Odpowiedź: I_R2 = 0,7768 A

Przypadek 1 · działa tylko V₁

V₂ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. Patrząc z A, R₃ jest równolegle z szeregową parą R₂+R₄.

R₃ ∥ (R₂+R₄) = 3 ∥ 10 = 2,308 Ω

V_A = 12·2,308/(2+2,308) = 6,429 V

V_B = V_A·R₄/(R₂+R₄) = 6,429·5/10 = 3,214 V

I_R2′ = (V_A − V_B)/R₂ = (6,429 − 3,214)/5 = 0,6429 A

Przypadek 2 · działa tylko I_s

Oba źródła napięcia stają się zwarciami. Iₛ rozdziela się w B między R₄ (teraz do masy) a R₂ szeregowo z R₁ ∥ R₃.

R₁ ∥ R₃ = 1,2 Ω, więc lewa gałąź to R₂+1,2 = 6,2 Ω

R_eq = R₄ ∥ 6,2 = 2,768 Ω

V_B = I_s·R_eq = 1,5·2,768 = 4,152 V

V_A = V_B·1,2/6,2 = 0,8036 V

I_R2″ = (V_A − V_B)/R₂ = (0,8036 − 4,152)/5 = −0,6696 A

Przypadek 3 · działa tylko V₂

V₁ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. R₁ ∥ R₃ wychodzi z A, szeregowo z R₂ z powrotem do B.

R₁ ∥ R₃ = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω

V_B = V₂·(R₂+R₁∥R₃)/(R₄+R₂+R₁∥R₃) = (−9)·6,2/11,2 = −4,982 V

V_A = V_B·(R₁∥R₃)/(R₂+R₁∥R₃) = −4,982·1,2/6,2 = −0,9643 V

I_R2‴ = (V_A − V_B)/R₂ = (−0,9643 − −4,982)/5 = 0,8036 A

Dodaj składowe

I_R2 = I_R2′ + I_R2″ + I_R2‴

I_R2 = 0,6429 + (−0,6696) + 0,8036 = 0,7768 A

Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości prąd płynie przeciwnie do strzałki.

9.Thévenin i Norton

Odpowiedź: V_th = 20 V

Twierdzenie Thévenina: każdy liniowy dwójnik zachowuje się jak jedno źródło napięcia V_th szeregowo z rezystancją R_th. Twierdzenie Nortona przedstawia ten sam układ jako źródło prądu I_N = V_th/R_th równolegle z R_th.

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R₁ ∥ R₂ = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1,333 + 15 = 16,33 Ω

Wyznacz V_th, napięcie stanu jałowego

Przy rozwartych a–b przez R₃ nie płynie prąd, więc nie ma na nim spadku i V_b = V_A. R₁ i R₂ tworzą dzielnik napięcia.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 30·4/(2+4) = 20 V

10.Thévenin i Norton

Odpowiedź: P_L = 17,51 W

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

Zastąp źródła napięcia zwarciami, a źródła prądu rozwarciami, a potem spójrz na obwód od strony a–b.

R₁ ∥ R₂ = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3,077 + 2 = 5,077 Ω

Wyznacz V_th, 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 11,54 + 2·3,077 = 17,69 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 17,69 + 2·2 = 21,69 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.

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 21,69/(5,077 + 15) = 1,08 A

P_L = I_L²·R_L = 1,08²·15 = 17,51 W

11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: V_out = 0,4348 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.

Napięcie na wejściu +

V₊ = V_in·R_b/(R_a + R_b) = 5·1/(22 + 1) = 0,2174 V

Wzmocnienie nieodwracające

V₋ = V₊, a prąd płynący przez R₁ płynie też przez R_f.

V_out = V₊·(1 + R_f/R₁) = 0,2174·(1 + 1/1) = 0,4348 V

Odpowiedź

V_out = 0,4348 V

12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Odpowiedź: V_out = −6,75 V

Napięcie na wejściu +

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = −1,5·47/(100 + 47) = −0,4796 V

Superpozycja obu wejść

Przy V₂ = 0 V₁ widzi wzmacniacz odwracający. Przy V₁ = 0 V₊ jest wzmacniane przez wzmocnienie nieodwracające 1 + R₂/R₁.

V_out = −(100/22)·0,9 + (1 + 100/22)·(−0,4796) = −4,091 + (−2,66) = −6,75 V

Odpowiedź

V_out = −6,75 V

13.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: v_C = 8,445 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 R_th; rozewrzyj kondensator, aby wyznaczyć napięcie, do którego się naładuje.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 3,3·10/(3,3 + 10) = 2,481 kΩ

v_C(∞) = 12·10/(3,3 + 10) = 9,023 V

Stała czasowa

τ = R_th·C = 2,481·22 = 54,59 ms

Krzywa ładowania

v_C(t) = 9,023·(1 − e^−150/54,59) = 8,445 V

Odpowiedź

v_C = 8,445 V

14.Stany nieustalone RC i RL

Odpowiedź: t = 240,1 ms

Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa

Napięcie na kondensatorze nie może zmienić się skokowo, więc zaczyna od zgromadzonej wartości i dąży do napięcia źródła.

v_C(0) = 12 V, v_C(∞) = V_s = 15 V

τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms

v_C(t) = 15 + (12 − 15)·e^−t/τ

Wyznacz czas

13,2 = 15 + (−3)·e^−t/τ → e^−t/τ = (13,2 − 15)/(12 − 15) = 0,6

t = τ·ln((12 − 15)/(13,2 − 15)) = 470·ln(1,667) = 240,1 ms

Odpowiedź

t = 240,1 ms

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-1

Teoria obwodów 1: zestaw na powtórkę

1Wzory i metody

Rezystory szeregowo i równolegle

Metoda

Metoda potencjałów węzłowych

Metoda

Metoda prądów oczkowych

Metoda

Superpozycja

Metoda

Thévenin i Norton

Metoda

Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi

Stany nieustalone RC i RL

Metoda

2Zadania do ćwiczenia

3Roztwory

Łącz rezystory od najdalszego końca

Prąd ze źródła

Odpowiedź

Łącz rezystory od najdalszego końca

Prąd ze źródła

Odpowiedź

PPK w węźle A

Wyznacz VA

Prąd gałęzi

Odpowiedź

Utwórz superwęzeł

Rozwiąż

Prąd przez R₁

Odpowiedź

Przypisz prądy oczkowe

NPK w oczku 1

NPK w oczku 2

Rozwiąż

Odpowiedź

Przypisz prądy oczkowe

NPK w oczku 1

NPK w oczku 2

NPK w oczku 3

Rozwiąż

Odpowiedź

Przypadek 1 · działa tylko V1

Przypadek 2 · działa tylko Is

Dodaj składowe

Przypadek 1 · działa tylko V1

Przypadek 2 · działa tylko Is

Przypadek 3 · działa tylko V2

Dodaj składowe

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Wyznacz Rth przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz Vth, napięcie stanu jałowego

Podłącz obciążenie do układu zastępczego Thévenina

Napięcie na wejściu +

Wzmocnienie nieodwracające

Odpowiedź

Napięcie na wejściu +

Superpozycja obu wejść

Odpowiedź

Obwód zastępczy Thevenina widziany przez kondensator

Stała czasowa

Krzywa ładowania

Odpowiedź

Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa

Wyznacz czas

Odpowiedź

Wyznacz V_A

Przypadek 1 · działa tylko V₁

Przypadek 2 · działa tylko I_s

Przypadek 1 · działa tylko V₁

Przypadek 2 · działa tylko I_s

Przypadek 3 · działa tylko V₂

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz V_th, napięcie stanu jałowego

Wyznacz R_th przy wyłączonych wszystkich źródłach

Wyznacz V_th, napięcie stanu jałowego