Źródło napięcia Vₛ między A i B ma zacisk + po stronie B, więc VB − VA = Vₛ. Użyj metody potencjałów węzłowych z superwęzłem, aby wyznaczyć potencjał węzła VA (mierzony względem masy).
Is = 4 AVs = 3 VR1 = 8 ΩR2 = 6 Ω
VA = V
4.Metoda potencjałów węzłowychTrudny
Romb to źródło prądu sterowane napięciem, które wpycha prąd 0,2·VA (w A, przy VA w V) w górę do węzła B. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć prąd IR4 płynący przez R4 w kierunku strzałki.
Liniowy obwód rezystancyjny zawiera jedno źródło napięcia Vs i jedno źródło prądu Is. Prąd I przez rezystor obciążenia zmierzono dwukrotnie: przy Vs = 20 V i Is = 6 mA I = 13 mA; przy Vs = 12 V i Is = 5 mA I = 8,5 mA. Wyznacz prąd obciążenia I, gdy Vs = 8 V i Is = 4 mA.
20 V, 6 mA → 13 mA12 V, 5 mA → 8,5 mAVs = 8 V, Is = 4 mA
I = mA
8.SuperpozycjaTrudny
Korzystając z superpozycji, wyznacz moc PR2 pobieraną przez R2.
Wyznacz prąd Nortona IN: prąd płynący od a do b, gdy zaciski są zwarte.
V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.Thévenin i NortonTrudny
Między a–b podłączono obciążenie RL = 2 Ω. Zastąp resztę obwodu jego zastępczym układem Thévenina i wyznacz prąd obciążenia IL.
V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩRL = 2 Ω
IL = A
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V; jego wyjście nasyca się przy ±14 V. Wzmacniacz nieodwracający jest pobudzany sygnałem sinusoidalnym. Wyznacz największą amplitudę wejściową Vin,max (wartość szczytową), przy której wyjście nie jest obcinane.
R1 = 2 kΩRf = 22 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Stosunki rezystorów nie są dopasowane. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.
Źródło Vₛ ładuje kondensator przez R₁, a R₂ jest połączony równolegle z C. Kondensator jest rozładowany, gdy łącznik zamyka się w t = 0. Wyznacz stałą czasową τ obwodu po zamknięciu łącznika.
Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µF
τ = ms
14.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Łącznik był długo zamknięty, więc obwód jest w stanie ustalonym. W t = 0 łącznik się otwiera. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 250 ms.
Vs = 9 VR1 = 3,3 kΩR2 = 10 kΩC = 68 µFt = 250 ms
vC = V
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 21,8 Ω
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 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 2·18/(2+18) = 1,8 Ω
Req = R1 + 1,8 = 20 + 1,8 = 21,8 Ω
Odpowiedź
Req = 21,8 Ω
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 1,994 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 = 3 + 15 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 9,474 Ω
R3 + 9,474 = 15,47 Ω
R2 ∥ 15,47 = 2,513 Ω
Req = R1 + 2,513 = 2 + 2,513 = 4,513 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 9/4,513 = 1,994 A
Odpowiedź
IR1 = 1,994 A
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: VA = 12 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 + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Rozwiąż
VA/8 + (VA + 3)/6 = 4
VA = (4 − 3/6)/(1/8 + 1/6) = 12 V
VB = 12 + 3 = 15 V
Odpowiedź
VA = 12 V
4.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: IR4 = 0,08333 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
Prądy wypływające z A przez rezystory są równe prądowi wpychanemu do A przez źródła.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
1,05·VA − 0,5·VB = 0,25
PPK w węźle B
Źródło sterowane wpycha prąd g·VA do węzła B. Potraktuj je jak źródło niezależne, a potem przenieś wyraz z VA na lewą stronę.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,2·VA
−0,7·VA + 0,6667·VB = 0
Rozwiąż
Δ = (1,05)(0,6667) − (−0,5)(−0,7) = 0,35
VA = Δ1/Δ = 0,1667/0,35 = 0,4762 V
VB = Δ2/Δ = 0,175/0,35 = 0,5 V
Prąd przez R₄
IR4 = VB/R4 = 0,5/6 = 0,08333 A
Odpowiedź
IR4 = 0,08333 A
5.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: I2 = −0,1379 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 24
27·I1 − 12·I2 = 24
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 + 12(I2 − I1) = (−12)
−12·I1 + 15·I2 = −12
Rozwiąż
Δ = (27)(15) − (−12)(−12) = 261
I1 = Δ1/Δ = 216/261 = 0,8276 A
I2 = Δ2/Δ = −36/261 = −0,1379 A
Odpowiedź
I2 = −0,1379 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR4 = 1,07 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 10
11·I1 − 8·I2 = 10
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
10·I2 + 8(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 30·I2 − 12·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 + 12(I3 − I2) = (−36)
−12·I2 + 24·I3 = −36
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 4800
I1 = Δ1/Δ = 2304/4800 = 0,48 A
I2 = Δ2/Δ = −2832/4800 = −0,59 A
I3 = Δ3/Δ = −8616/4800 = −1,795 A
Odpowiedź
IR4 = I1 − I2 = 1,07 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: I = 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
20·k₁ + 6·k₂ = 13
12·k₁ + 5·k₂ = 8,5
Wyznacz stałe
Δ = (20)(5) − (6)(12) = 28
k₁ = Δ1/Δ = 14/28 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = 14/28 = 0,5
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = 0,5
Przewidź nowy prąd
I = 0,5·8 + 0,5·4 = 6 mA
Odpowiedź
I = 6 mA
8.Superpozycja
Odpowiedź: PR2 = 50,92 W
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
V₂ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. Patrząc z A, R₃ jest równolegle z szeregową parą R₂+R₄.
Moc zależy od kwadratu prądu, więc nie podlega zasadzie superpozycji: najpierw zsumuj prądy, potem podnieś do kwadratu.
PR2 = IR2²·R2 = (−1,596)²·20 = 50,92 W
Odpowiedź
PR2 = 50,92 W
Zsumowanie mocy z poszczególnych przypadków dałoby 34,96 W, co jest błędne.
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IN = 0,5882 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 3 = 7,286 Ω
Wyznacz Vth, 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.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·6/(15+6) = 4,286 V
Układ zastępczy Nortona
Źródło Nortona to ten sam obwód widziany jako źródło prądu równolegle z R_th. Jego prąd to prąd zwarcia na a–b.
IN = Vth/Rth = 4,286/7,286 = 0,5882 A
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IL = 4,237 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 5 = 8,077 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) = 18,46 + 3·3,077 = 27,69 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,69 + 3·5 = 42,69 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.
IL = Vth/(Rth + RL) = 42,69/(8,077 + 2) = 4,237 A
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vin,max = 1,167 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.
Wzmocnienie
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/2 = 12
Największe wejście przed obcinaniem
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/12 = 1,167 V
Odpowiedź
Vin,max = 1,167 V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 9,795 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,7·2/(4,7 + 2) = 0,209 V
Superpozycja obu wejść
Przy V₂ = 0 V₁ widzi wzmacniacz odwracający. Przy V₁ = 0 V₊ jest wzmacniane przez wzmocnienie nieodwracające 1 + R₂/R₁.
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 = 1·10/(1 + 10) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 30·10/(1 + 10) = 27,27 V
Stała czasowa
τ = Rth·C = 0,9091·47 = 42,73 ms
Odpowiedź
τ = 42,73 ms
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vC = 4,685 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.
Początkowe napięcie kondensatora
W stanie ustalonym kondensator jest rozwarciem, więc R₁ i R₂ tworzą dzielnik napięcia. Napięcie kondensatora nie może zmienić się skokowo przy otwarciu łącznika.