Między węzłem A a masą są włączone trzy gałęzie, jak na rysunku. Użyj metody potencjałów węzłowych, aby wyznaczyć prąd I3 w gałęzi 3, płynący w górę do węzła A zgodnie ze strzałką.
V1 = 15 VR1 = 6 ΩV2 = 24 VR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
I3 = A
4.Metoda potencjałów węzłowychTrudny
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 = 8 V i Is = 5 mA I = 6,75 mA; przy Vs = 20 V i Is = 1 mA I = 19,75 mA. Wyznacz prąd obciążenia I, gdy Vs = 12 V i Is = 3 mA.
8 V, 5 mA → 6,75 mA20 V, 1 mA → 19,75 mAVs = 12 V, Is = 3 mA
I = mA
8.SuperpozycjaTrudny
Korzystając z superpozycji, wyznacz moc PR3 pobieraną przez R3.
Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.
V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Thévenin i NortonTrudny
Wyznacz prąd Nortona IN: prąd płynący od a do b, gdy zaciski są zwarte.
V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.
Vin = 0,9 VR1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
Wzmacniacz sumujący korzysta z idealnego wzmacniacza operacyjnego zasilanego napięciem ±15 V. Wyznacz prąd If płynący przez rezystor sprzężenia zwrotnego w stronę wyjścia.
Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Wyznacz energię W zgromadzoną w cewce w chwili t = 10 ms, w mJ.
Vs = 5 VR = 15 ΩL = 68 mHt = 10 ms
W = mJ
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 = 75 ms.
Vs = 10 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 10 µFt = 75 ms
vC = V
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 10,22 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 + 3 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R1 + 2,222 = 8 + 2,222 = 10,22 Ω
Odpowiedź
Req = 10,22 Ω
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 1,162 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 8,571 Ω
R3 + 8,571 = 23,57 Ω
R2 ∥ 23,57 = 5,973 Ω
Req = R1 + 5,973 = 25 + 5,973 = 30,97 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 36/30,97 = 1,162 A
Odpowiedź
IR1 = 1,162 A
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: I3 = −2,576 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)/6 + (VA − 24)/5 + VA/5 = 0
Wyznacz VA
VA = (15/6 + 24/5 + 0/5) / (1/6 + 1/5 + 1/5) = 7,3/0,5667 = 12,88 V
Prąd gałęzi
Strzałka wskazuje w górę wzdłuż gałęzi, do węzła A.
I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 12,88)/5 = −2,576 A
Odpowiedź
I3 = −2,576 A
Wynik ujemny oznacza, że rzeczywisty prąd płynie przeciwnie do strzałki.
4.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: IR4 = −1,579 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.
Ustal węzły
Masa to dolny przewód. Znane potencjały węzłów wynikają bezpośrednio ze źródeł (V1 = 10 V, V2 = 24 V). Niewiadome: VA, VB.
PPK w węźle A
Prądy wypływające z A przez rezystory są równe prądowi wpływającemu do A ze źródeł.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/6 + (VA − 10)/25 + (VA − VB)/3 = 0
0,54·VA − 0,3333·VB = 0,4
PPK w węźle B
Prądy wypływające z B przez rezystory są równe prądowi wpływającemu do B ze źródeł.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/3 + (VB − VA)/3 + (VB − 24)/12 = 0,5
−0,3333·VA + 0,75·VB = 2,5
Rozwiąż
Δ = (0,54)(0,75) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,2939
VA = Δ1/Δ = 1,133/0,2939 = 3,856 V
VB = Δ2/Δ = 1,483/0,2939 = 5,047 V
Odpowiedź
IR4 = (VB − V2)/R4 = (5,047 − 24)/12 = −1,579 A
5.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: I2 = −2,302 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
20·I1 + 2(I1 − I2) = 10
22·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 2(I2 − I1) = (−12)
−2·I1 + 5·I2 = −12
Rozwiąż
Δ = (22)(5) − (−2)(−2) = 106
I1 = Δ1/Δ = 26/106 = 0,2453 A
I2 = Δ2/Δ = −244/106 = −2,302 A
Odpowiedź
I2 = −2,302 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: I3 = −1,457 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 + 2(I1 − I2) = 6
5·I1 − 2·I2 = 6
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 + 2(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 27·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−18)
−15·I2 + 20·I3 = −18
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 1495
I1 = Δ1/Δ = 1350/1495 = 0,903 A
I2 = Δ2/Δ = −1110/1495 = −0,7425 A
I3 = Δ3/Δ = −2178/1495 = −1,457 A
Odpowiedź
I3 = −1,457 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: I = 11,25 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
8·k₁ + 5·k₂ = 6,75
20·k₁ + 1·k₂ = 19,75
Wyznacz stałe
Δ = (8)(1) − (5)(20) = −92
k₁ = Δ1/Δ = −92/−92 = 1
k₂ = Δ2/Δ = 23/−92 = −0,25
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,25
Przewidź nowy prąd
I = 1·12 + (−0,25)·3 = 11,25 mA
Odpowiedź
I = 11,25 mA
8.Superpozycja
Odpowiedź: PR3 = 13,63 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) = 10 ∥ 9 = 4,737 Ω
VA = 24·4,737/(5+4,737) = 11,68 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,68·6/9 = 7,784 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (11,68 − 0)/10 = 1,168 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 = 3,333 Ω, więc lewa gałąź to R2+3,333 = 6,333 Ω
Req = R4 ∥ 6,333 = 3,081 Ω
VB = Is·Req = 2·3,081 = 6,162 V
VA = VB·3,333/6,333 = 3,243 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,243 − 0)/10 = 0,3243 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·6,333/12,33 = −6,162 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −6,162·3,333/6,333 = −3,243 V
Moc zależy od kwadratu prądu, więc nie podlega zasadzie superpozycji: najpierw zsumuj prądy, potem podnieś do kwadratu.
PR3 = IR3²·R3 = 1,168²·10 = 13,63 W
Odpowiedź
PR3 = 13,63 W
Zsumowanie mocy z poszczególnych przypadków dałoby 15,74 W, co jest błędne.
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: Vth = 8 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 8 = 11,33 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) = 12·10/(5+10) = 8 V
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: IN = 4,071 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 6 = 7 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) = 7,5 + 3·1 = 10,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,5 + 3·6 = 28,5 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 = 28,5/7 = 4,071 A
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 5,113 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₊ = 0,9 V
I = V₋/R1 = 0,9/4,7 = 0,1915 mA
Napięcie wyjściowe
Prąd przez R₁ płynie też przez Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,9 + 0,1915·22 = 5,113 V
Odpowiedź
Vout = 5,113 V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: If = −0,09497 mA
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 = −1,9/47 = −0,04043 mA
I2 = V2/R2 = −1,2/22 = −0,05455 mA
If = I1 + I2 = −0,09497 mA
Odpowiedź
If = −0,09497 mA
13.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: W = 2,991 mJ
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 / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A
Prąd w danej chwili
i(t) = 0,3333·(1 − e−10/4,533) = 0,2966 A
Zgromadzona energia
W = ½·L·i² = ½·68·0,2966² = 2,991 mJ
Odpowiedź
W = 2,991 mJ
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vC = 1,381 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.