Między węzłem A a masą są włączone trzy gałęzie, jak na rysunku. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć prąd I2 w gałęzi 2, płynący w górę do węzła A zgodnie ze strzałką.
Źródło prądu jest regulowane, aż potencjał węzła A osiągnie VA = 7,5 V. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć prąd źródła Is (kierunek jak na rysunku).
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 = 20 mA. Po podwojeniu V1 przy niezmienionych pozostałych dwóch I = 28,5 mA. Po odwróceniu kierunku Is przy niezmienionych pozostałych dwóch I = 8 mA. Wyznacz prąd obciążenia I, gdy V2 jest wyłączone, a V1 i Is mają wartości normalne.
wartości normalne: I = 20 mA2·V1: I = 28,5 mA−Is: I = 8 mA
I = mA
9.Thévenin i NortonŚredni
Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.
V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.Thévenin i NortonTrudny
Między a–b podłączono obciążenie RL = 5 Ω. Użyj układu zastępczego Thévenina, aby wyznaczyć moc PL dostarczaną do obciążenia.
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 = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 8 V o zaznaczonej biegunowości. Po jakim czasie vC osiągnie 8,3 V? Wyznacz t.
Vs = 9 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 V
t = ms
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 2,228 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 = 4 + 3 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 8·7/(8+7) = 3,733 Ω
Req = R1 + 3,733 = 3 + 3,733 = 6,733 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 15/6,733 = 2,228 A
Odpowiedź
IR1 = 2,228 A
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR2 = 0,2562 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 4,615 Ω
R3 + 4,615 = 29,62 Ω
R2 ∥ 29,62 = 14,9 Ω
Req = R1 + 14,9 = 20 + 14,9 = 34,9 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 18/34,9 = 0,5157 A
Prąd przez R₂
Odejmij spadek na R₁, aby dostać potencjał węzła A, czyli napięcie na R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,5157·20 = 7,686 V
IR2 = VA/R2 = 7,686/30 = 0,2562 A
Odpowiedź
IR2 = 0,2562 A
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: I2 = 9,636 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 − (−18))/3 + (VA − 30)/2 + (VA − 10)/12 = 0
Wyznacz VA
VA = ((−18)/3 + 30/2 + 10/12) / (1/3 + 1/2 + 1/12) = 9,833/0,9167 = 10,73 V
Prąd gałęzi
Strzałka wskazuje w górę wzdłuż gałęzi, do węzła A.
I2 = (30 − VA)/R2 = (30 − 10,73)/2 = 9,636 A
Odpowiedź
I2 = 9,636 A
Wynik ujemny oznacza, że rzeczywisty prąd płynie przeciwnie do strzałki.
4.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: Is = 5,292 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
VA jest znane, więc to równanie daje VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(7,5 − 5)/3 + 7,5/2 = (VB − 7,5)/3
4,583 = (VB − 7,5)/3 → VB = 21,25 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 = (21,25 − 7,5)/3 + 21,25/30 = 5,292 A
Odpowiedź
Is = 5,292 A
5.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR1 = 0,07742 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 + 8(I1 − I2) = 12
23·I1 − 8·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 + 8(I2 − I1) = (−30)
−8·I1 + 23·I2 = −30
Rozwiąż
Δ = (23)(23) − (−8)(−8) = 465
I1 = Δ1/Δ = 36/465 = 0,07742 A
I2 = Δ2/Δ = −594/465 = −1,277 A
Odpowiedź
IR1 = I1 = 0,07742 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR1 = 2,329 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
5·I1 + 15(I1 − I2) = 30
20·I1 − 15·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
10·I2 + 15(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 33·I2 − 8·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 + 8(I3 − I2) = (−5)
−8·I2 + 20·I3 = −5
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 7420
I1 = Δ1/Δ = 17280/7420 = 2,329 A
I2 = Δ2/Δ = 8200/7420 = 1,105 A
I3 = Δ3/Δ = 1425/7420 = 0,192 A
Odpowiedź
IR1 = I1 = 2,329 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: IR2 = 3,148 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 = 10+5 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
VA = 12·1,765/(3+1,765) = 4,444 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,444·5/15 = 1,481 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (4,444 − 0)/2 = 2,222 A
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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 11,2 = 3,457 Ω
VB = Is·Req = 5·3,457 = 17,28 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 17,28·1,2/11,2 = 1,852 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1,852 − 0)/2 = 0,9259 A
Dodaj składowe
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 2,222 + 0,9259 = 3,148 A
Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości prąd płynie przeciwnie do strzałki.
8.Superpozycja
Odpowiedź: I = 14,5 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 = 20
2·I₁ + I₂ + I₃ = 28,5
I₁ + I₂ − I₃ = 8
Wyznacz wkłady
I₁ = 28,5 − 20 = 8,5 mA
I₃ = (20 − 8)/2 = 6 mA
I₂ = 20 − 8,5 − 6 = 5,5 mA
Wyłącz V₂
I = I₁ + I₃ = 8,5 + 6 = 14,5 mA
Odpowiedź
I = 14,5 mA
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: Vth = 4,174 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 3 = 8,217 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) = 12·8/(15+8) = 4,174 V
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: PL = 18,4 W
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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 4 = 6,308 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) = 2,769 + 3·2,308 = 9,692 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,692 + 3·4 = 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.
IL = Vth/(Rth + RL) = 21,69/(6,308 + 5) = 1,918 A
PL = IL²·RL = 1,918²·5 = 18,4 W
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = −10,83 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.
Wejście odwracające podąża za wejściem
V₋ = V₊ = −1,9 V
I = V₋/R1 = −1,9/10 = −0,19 mA
Napięcie wyjściowe
Prąd przez R₁ płynie też przez Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,9 + (−0,19)·47 = −10,83 V
Odpowiedź
Vout = −10,83 V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = −2,209 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 = −1,3/100 = −0,013 mA
I2 = V2/R2 = 0,6/10 = 0,06 mA
If = I1 + I2 = 0,047 mA
Napięcie wyjściowe
Vout = −Rf·If = −47·0,047 = −2,209 V
Odpowiedź
Vout = −2,209 V
13.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vL = 0,04043 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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 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−1/0,2 = 0,04043 V
Odpowiedź
vL = 0,04043 V
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: t = 16,76 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.