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).
V1 = 6 VIs = 4 AVs = 3 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
VA = V
5.Metoda prądów oczkowychŚredni
Użyj metody prądów oczkowych, aby wyznaczyć prąd IR1 płynący przez R1 w kierunku strzałki.
V1 = 12 VV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
IR1 = A
6.Metoda prądów oczkowychTrudny
Użyj metody prądów oczkowych, aby wyznaczyć napięcie VR2 na R2 o zaznaczonej biegunowości.
Liniowy obwód rezystancyjny zawiera jedno źródło napięcia Vs i jedno źródło prądu Is. Prąd I przez rezystor obciążenia zmierzono dwukrotnie: przy Vs = 5 V i Is = 10 mA I = 4,5 mA; przy Vs = 4 V i Is = 6 mA I = 3,1 mA. Wyznacz prąd obciążenia I, gdy Vs = 12 V i Is = 10 mA.
5 V, 10 mA → 4,5 mA4 V, 6 mA → 3,1 mAVs = 12 V, Is = 10 mA
I = mA
8.SuperpozycjaTrudny
Użyj metody superpozycji, aby wyznaczyć prąd IR3 płynący przez R3 w kierunku strzałki.
Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Po jakim czasie od zamknięcia łącznika prąd osiągnie 50% wartości końcowej? Wyznacz t.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 3 V o zaznaczonej biegunowości. Po jakim czasie vC osiągnie 6,6 V? Wyznacz t.
Vs = 12 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 3 V
t = ms
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 19,71 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 = 2 + 20 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 6·22/(6+22) = 4,714 Ω
Req = R1 + 4,714 = 15 + 4,714 = 19,71 Ω
Odpowiedź
Req = 19,71 Ω
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 10,13 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.
R5 + R6 = 4 + 15 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 3,304 Ω
R3 + 3,304 = 7,304 Ω
R2 ∥ 7,304 = 2,127 Ω
Req = R1 + 2,127 = 8 + 2,127 = 10,13 Ω
Odpowiedź
Req = 10,13 Ω
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: VB = 28,1 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/10 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/6 = 0
0,3667·VA − 0,1667·VB = 3
PPK w węźle B
Prądy wypływające z B przez rezystory są równe prądowi wpływającemu do B ze źródeł.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/6 = 4
−0,1667·VA + 0,2667·VB = 4
Rozwiąż
Δ = (0,3667)(0,2667) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,07
VA = Δ1/Δ = 1,467/0,07 = 20,95 V
VB = Δ2/Δ = 1,967/0,07 = 28,1 V
Odpowiedź
VB = 28,1 V
4.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: VA = 3,115 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 + 3
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Rozwiąż
(VA − 6)/30 + VA/3 + (VA + 3)/2 = 4
VA·(1/30 + 1/3 + 1/2) = 4 + 6/30 − 3/2 = 2,7
VA = 2,7/0,8667 = 3,115 V
VB = 6,115 V
Odpowiedź
VA = 3,115 V
5.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR1 = 0,62 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 + 2(I1 − I2) = 12
17·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
10·I2 + 2(I2 − I1) = (−10)
−2·I1 + 12·I2 = −10
Rozwiąż
Δ = (17)(12) − (−2)(−2) = 200
I1 = Δ1/Δ = 124/200 = 0,62 A
I2 = Δ2/Δ = −146/200 = −0,73 A
Odpowiedź
IR1 = I1 = 0,62 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: VR2 = 10,91 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, 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
5·I1 + 20(I1 − I2) = 30
25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 20(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 65·I2 − 20·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
5·I3 + 20(I3 − I2) = (−12)
−20·I2 + 25·I3 = −12
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 20625
I1 = Δ1/Δ = 31950/20625 = 1,549 A
I2 = Δ2/Δ = 9000/20625 = 0,4364 A
I3 = Δ3/Δ = −2700/20625 = −0,1309 A
Odpowiedź
IR2 = I2 = 0,4364 A
VR2 = IR2·R2 = 0,4364·25 = 10,91 V
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: I = 7,3 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 odpowiedź jako sumę wkładów
Każdy wkład jest proporcjonalny do własnego źródła, ze stałą zależną tylko od rezystorów.
I = k₁·Vs + k₂·Is
5·k₁ + 10·k₂ = 4,5
4·k₁ + 6·k₂ = 3,1
Wyznacz stałe
Δ = (5)(6) − (10)(4) = −10
k₁ = Δ1/Δ = −4/−10 = 0,4
k₂ = Δ2/Δ = −2,5/−10 = 0,25
k₁ = 0,4 mA/V, k₂ = 0,25
Przewidź nowy prąd
I = 0,4·12 + 0,25·10 = 7,3 mA
Odpowiedź
I = 7,3 mA
8.Superpozycja
Odpowiedź: IR3 = −2,244 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
V₂ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. Patrząc z A, R₃ jest równolegle z szeregową parą R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 15 = 8,571 Ω
VA = 10·8,571/(30+8,571) = 2,222 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,222·12/15 = 1,778 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 2,222)/20 = −0,1111 A
Przypadek 2 · działa tylko Is
Oba źródła napięcia stają się zwarciami. Iₛ rozdziela się w B między R₄ (teraz do masy) a R₂ szeregowo z R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 12 Ω, więc lewa gałąź to R2+12 = 15 Ω
Req = R4 ∥ 15 = 6,667 Ω
VB = Is·Req = 5·6,667 = 33,33 V
VA = VB·12/15 = 26,67 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 26,67)/20 = −1,333 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 = 30·20/(30+20) = 12 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·15/27 = 20 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 20·12/15 = 16 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 16)/20 = −0,8 A
Dodaj składowe
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,1111) + (−1,333) + (−0,8) = −2,244 A
Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości prąd płynie przeciwnie do strzałki.
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IL = 0,3358 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 15 = 18,16 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) = 9·15/(4+15) = 7,105 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) = 7,105/(18,16 + 3) = 0,3358 A
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IN = 2,476 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 3 = 5,727 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) = 2,727 + 2·2,727 = 8,182 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,182 + 2·3 = 14,18 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 = 14,18/5,727 = 2,476 A
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 7 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 wejściach
Przez R₃ i R₄ płynie ten sam prąd, więc tworzą dzielnik napięcia; sprzężenie zwrotne sprawia, że V₋ = 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 = −1,7/22 = −0,07727 mA
I2 = V2/R2 = −1,7/1 = −1,7 mA
If = I1 + I2 = −1,777 mA
Napięcie wyjściowe
Vout = −Rf·If = −2·(−1,777) = 3,555 V
Odpowiedź
Vout = 3,555 V
13.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: t = 2,1 ms
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 i prąd końcowy
Długo po zamknięciu łącznika cewka zachowuje się jak zwarcie, więc prąd końcowy zależy tylko od R.
τ = L/R = 100 mH / 33 Ω = 3,03 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A
Wyznacz czas
0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −3,03·ln(0,5) = 2,1 ms
Odpowiedź
t = 2,1 ms
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: t = 5,108 ms
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
Napięcie na kondensatorze nie może zmienić się skokowo, więc zaczyna od zgromadzonej wartości i dąży do napięcia źródła.