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.
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).
Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Wyznacz napięcie vL na cewce w chwili t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
14.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 10 V o zaznaczonej biegunowości. Po jakim czasie vC osiągnie 21,2 V? Wyznacz t.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 10 V
t = ms
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 9,36 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 4·21/(4+21) = 3,36 Ω
Req = R1 + 3,36 = 6 + 3,36 = 9,36 Ω
Odpowiedź
Req = 9,36 Ω
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 20,85 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 = 20 + 6 = 26 Ω
R4 ∥ 26 = 6,118 Ω
R3 + 6,118 = 14,12 Ω
R2 ∥ 14,12 = 5,854 Ω
Req = R1 + 5,854 = 15 + 5,854 = 20,85 Ω
Odpowiedź
Req = 20,85 Ω
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: I1 = −3,457 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 (VA − Vk)/Rk, gdzie Vk to napięcie jej źródła (zero dla samego rezystora). Prądy wypływające z A sumują się do zera.
(VA − (−15))/10 + (VA − 9)/6 + (VA − 30)/2 = 0
Wyznacz VA
VA = ((−15)/10 + 9/6 + 30/2) / (1/10 + 1/6 + 1/2) = 15/0,7667 = 19,57 V
Prąd gałęzi
Strzałka wskazuje w górę wzdłuż gałęzi, do węzła A.
Wynik ujemny oznacza, że rzeczywisty prąd płynie przeciwnie do strzałki.
4.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: VA = 20,84 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 − 18)/5 + VA/15 + (VA − 10)/20 = 2,5
VA·(1/5 + 1/15 + 1/20) = 2,5 + 18/5 + 10/20 = 6,6
VA = 6,6/0,3167 = 20,84 V
VB = 10,84 V
Odpowiedź
VA = 20,84 V
5.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR1 = 1,292 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 + 6(I1 − I2) = 24
18·I1 − 6·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
12·I2 + 6(I2 − I1) = (−10)
−6·I1 + 18·I2 = −10
Rozwiąż
Δ = (18)(18) − (−6)(−6) = 288
I1 = Δ1/Δ = 372/288 = 1,292 A
I2 = Δ2/Δ = −36/288 = −0,125 A
Odpowiedź
IR1 = I1 = 1,292 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: I1 = 0,4585 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
25·I1 + 25(I1 − I2) = 18
50·I1 − 25·I2 = 18
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 + 25(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 40·I2 − 5·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
2·I3 + 5(I3 − I2) = (−6)
−5·I2 + 7·I3 = −6
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 8375
I1 = Δ1/Δ = 3840/8375 = 0,4585 A
I2 = Δ2/Δ = 1650/8375 = 0,197 A
I3 = Δ3/Δ = −6000/8375 = −0,7164 A
Odpowiedź
I1 = 0,4585 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: VR2 = 5,561 V
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 = 4+6 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
VA = 24·1,667/(12+1,667) = 2,927 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,927·6/10 = 1,756 V
VR2′ = VA − 0 = 2,927 − 0 = 2,927 V
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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 5,714 = 2,927 Ω
VB = Is·Req = 3·2,927 = 8,78 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,78·1,714/5,714 = 2,634 V
VR2″ = VA − 0 = 2,634 − 0 = 2,634 V
Dodaj składowe
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 2,927 + 2,634 = 5,561 V
Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości biegunowość jest odwrotna do zaznaczonej.
8.Superpozycja
Odpowiedź: PR1 = 6,082 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.
R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 17 = 3,864 Ω
VA = 15·3,864/(3+3,864) = 8,444 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,444·2/17 = 0,9934 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 8,444)/3 = 2,185 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 = 1,875 Ω, więc lewa gałąź to R2+1,875 = 16,88 Ω
Req = R4 ∥ 16,88 = 1,788 Ω
VB = Is·Req = 2,5·1,788 = 4,47 V
VA = VB·1,875/16,88 = 0,4967 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 0,4967)/3 = −0,1656 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·16,88/18,88 = 16,09 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,09·1,875/16,88 = 1,788 V
Moc zależy od kwadratu prądu, więc nie podlega zasadzie superpozycji: najpierw zsumuj prądy, potem podnieś do kwadratu.
PR1 = IR1²·R1 = 1,424²·3 = 6,082 W
Odpowiedź
PR1 = 6,082 W
Zsumowanie mocy z poszczególnych przypadków dałoby 15,48 W, co jest błędne.
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IN = 0,9231 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 3 = 4,875 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) = 12·3/(5+3) = 4,5 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 = 4,5/4,875 = 0,9231 A
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IN = 2,23 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 3 = 8,714 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) = 10,71 + 1·5,714 = 16,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,43 + 1·3 = 19,43 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 = 19,43/8,714 = 2,23 A
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 4 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.
V₋ = V₊, a prąd płynący przez R₁ płynie też przez Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,3636·(1 + 47/4,7) = 4 V
Odpowiedź
Vout = 4 V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 6,368 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 = −1/4,7 = −0,2128 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/22 = 0,07727 mA
If = I1 + I2 = −0,1355 mA
Napięcie wyjściowe
Vout = −Rf·If = −47·(−0,1355) = 6,368 V
Odpowiedź
Vout = 6,368 V
13.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vL = 2,876 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.
Stała czasowa i prąd końcowy
Długo po zamknięciu łącznika cewka zachowuje się jak zwarcie, więc prąd końcowy zależy tylko od R.
τ = L/R = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A
Napięcie na cewce
W t = 0 całe napięcie zasilania jest na cewce; potem maleje do zera.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−1/1,36 = 2,876 V
Odpowiedź
vL = 2,876 V
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: t = 109,4 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.