Źródło prądu jest regulowane, aż potencjał węzła A osiągnie VA = 2,5 V. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć prąd źródła Is (kierunek jak na rysunku).
Liniowy obwód rezystancyjny zawiera jedno źródło napięcia Vs i jedno źródło prądu Is. Prąd I przez rezystor obciążenia zmierzono dwukrotnie: przy Vs = 12 V i Is = 5 mA I = 18,5 mA; przy Vs = 6 V i Is = 8 mA I = 9,8 mA. Wyznacz prąd obciążenia I, gdy Vs = 10 V i Is = 6 mA.
12 V, 5 mA → 18,5 mA6 V, 8 mA → 9,8 mAVs = 10 V, Is = 6 mA
I = mA
8.SuperpozycjaTrudny
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 = 3,5 mA. Po podwojeniu V1 przy niezmienionych pozostałych dwóch I = 10,5 mA. Po odwróceniu kierunku Is przy niezmienionych pozostałych dwóch I = 23,5 mA. Wyznacz prąd obciążenia I, gdy V2 jest wyłączone, a V1 i Is mają wartości normalne.
wartości normalne: I = 3,5 mA2·V1: I = 10,5 mA−Is: I = 23,5 mA
I = mA
9.Thévenin i NortonŚredni
Wyznacz rezystancję Thévenina Rth widzianą z zacisków a–b.
V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin i NortonTrudny
Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.
V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
Dobierz rezystor sprzężenia zwrotnego Rf, który da temu wzmacniaczowi nieodwracającemu wzmocnienie napięciowe 51.
R1 = 1 kΩAv = 51
Rf = kΩ
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
Układ całkujący wykorzystuje idealny wzmacniacz operacyjny zasilany napięciem ±15 V; jego wyjście nasyca się przy ±13 V. Kondensator jest rozładowany, gdy w t = 0 zostaje przyłożone stałe napięcie wejściowe Vin = 1,3 V. Po jakim czasie od t = 0 wyjście osiągnie nasycenie? Wyznacz t.
Vin = 1,3 VR = 10 kΩC = 4,7 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.Stany nieustalone RC i RLŚredni
Przez cewkę płynie ustalony prąd 2,5 A. W t = 0 łącznik zamyka obwód przez R, a źródło zostaje odłączone, więc prąd cewki zanika przez R. Wyznacz prąd i w chwili t = 1 ms.
i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Stany nieustalone RC i RLTrudny
W t = 0 układ czasowy zaczyna ładować nienaładowany kondensator przez rezystor ze źródła 15 V. Ma zadziałać, gdy napięcie kondensatora osiągnie 9,48 V, dokładnie 200 ms po starcie. Przy R = 1 kΩ wyznacz potrzebną pojemność C.
Vs = 15 VVth = 9,48 VT = 200 msR = 1 kΩ
C = µF
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR2 = 0,9116 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 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 10·11/(10+11) = 5,238 Ω
Req = R1 + 5,238 = 12 + 5,238 = 17,24 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 30/17,24 = 1,74 A
Prąd przez R₂
Odejmij spadek na R₁, aby dostać potencjał węzła A, czyli napięcie na R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,74·12 = 9,116 V
IR2 = VA/R2 = 9,116/10 = 0,9116 A
Odpowiedź
IR2 = 0,9116 A
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 3,035 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 = 5 + 30 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 5,122 Ω
R3 + 5,122 = 11,12 Ω
R2 ∥ 11,12 = 2,942 Ω
Req = R1 + 2,942 = 2 + 2,942 = 4,942 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 15/4,942 = 3,035 A
Odpowiedź
IR1 = 3,035 A
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: VA = 13,33 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.
Ustal węzły
Masa to dolny przewód. Znane potencjały węzłów wynikają bezpośrednio ze źródeł (V1 = 30 V). Niewiadome: VA, VB.
PPK w węźle A
Prądy wypływające z A przez rezystory są równe prądowi wpływającemu do A ze źródeł.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,1833·VA − 0,06667·VB = 1,5
PPK w węźle B
Prądy wypływające z B przez rezystory są równe prądowi wpływającemu do B ze źródeł.
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
VA jest znane, więc to równanie daje VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(2,5 − 6)/25 + 2,5/12 = (VB − 2,5)/10
0,06833 = (VB − 2,5)/10 → VB = 3,183 V
PPK w węźle B
Prądy wypływające z B przez rezystory są równe prądowi wpychanemu do B przez źródła.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (3,183 − 2,5)/10 + 3,183/10 = 0,3867 A
Odpowiedź
Is = 0,3867 A
5.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR1 = 0,8571 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
3·I1 + 20(I1 − I2) = 30
23·I1 − 20·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 20(I2 − I1) = (−30)
−20·I1 + 25·I2 = −30
Rozwiąż
Δ = (23)(25) − (−20)(−20) = 175
I1 = Δ1/Δ = 150/175 = 0,8571 A
I2 = Δ2/Δ = −90/175 = −0,5143 A
Odpowiedź
IR1 = I1 = 0,8571 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR5 = 1,569 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
4·I1 + 6(I1 − I2) = 12
10·I1 − 6·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 6(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 12·I2 − 3·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
12·I3 + 3(I3 − I2) = (−18)
−3·I2 + 15·I3 = −18
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 1170
I1 = Δ1/Δ = 1728/1170 = 1,477 A
I2 = Δ2/Δ = 540/1170 = 0,4615 A
I3 = Δ3/Δ = −1296/1170 = −1,108 A
Odpowiedź
IR5 = I2 − I3 = 1,569 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: I = 15,6 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 odpowiedź jako sumę wkładów
Każdy wkład jest proporcjonalny do własnego źródła, ze stałą zależną tylko od rezystorów.
I = k₁·Vs + k₂·Is
12·k₁ + 5·k₂ = 18,5
6·k₁ + 8·k₂ = 9,8
Wyznacz stałe
Δ = (12)(8) − (5)(6) = 66
k₁ = Δ1/Δ = 99/66 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = 6,6/66 = 0,1
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = 0,1
Przewidź nowy prąd
I = 1,5·10 + 0,1·6 = 15,6 mA
Odpowiedź
I = 15,6 mA
8.Superpozycja
Odpowiedź: I = −3 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 = 3,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 10,5
I₁ + I₂ − I₃ = 23,5
Wyznacz wkłady
I₁ = 10,5 − 3,5 = 7 mA
I₃ = (3,5 − 23,5)/2 = −10 mA
I₂ = 3,5 − 7 − (−10) = 6,5 mA
Wyłącz V₂
I = I₁ + I₃ = 7 + (−10) = −3 mA
Odpowiedź
I = −3 mA
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: Rth = 6 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: Vth = 42,84 V
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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 4 = 7,158 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) = 14,21 + 4·3,158 = 26,84 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 26,84 + 4·4 = 42,84 V
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Rf = 50 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 = (51 − 1)·1 = 50 kΩ
Odpowiedź
Rf = 50 kΩ
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: t = 470 ms
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.
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·47/1,3 = 470 ms
Odpowiedź
t = 470 ms
13.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: i = 0,9197 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.
Stała czasowa
τ = L/R = 10 mH / 10 Ω = 1 ms
Zanik prądu
i(t) = 2,5·e−1/1 = 0,9197 A
Odpowiedź
i = 0,9197 A
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: C = 200,1 µF
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.