Wyznacz rezystancję Thévenina Rth widzianą z zacisków a–b.
V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin i NortonTrudny
Wyznacz napięcie Thévenina Vth widziane z zacisków a–b.
V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V; jego wyjście nasyca się przy ±13 V. Wzmacniacz odwracający jest pobudzany sygnałem sinusoidalnym. Wyznacz największą amplitudę wejściową Vin,max (wartość szczytową), przy której wyjście nie jest obcinane.
R1 = 1 kΩRf = 22 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
Wzmacniacz sumujący korzysta z idealnego wzmacniacza operacyjnego zasilanego napięciem ±15 V. 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 = 6 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µF
τ = ms
14.Stany nieustalone RC i RLTrudny
W t = 0 układ czasowy zaczyna ładować nienaładowany kondensator przez rezystor ze źródła 15 V. Ma zadziałać, gdy napięcie kondensatora osiągnie 7,5 V, dokładnie 1000 ms po starcie. Przy R = 4,7 kΩ wyznacz potrzebną pojemność C.
Vs = 15 VVth = 7,5 VT = 1000 msR = 4,7 kΩ
C = µF
3Roztwory
1.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 10,51 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 = 20 + 15 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 8·35/(8+35) = 6,512 Ω
Req = R1 + 6,512 = 4 + 6,512 = 10,51 Ω
Odpowiedź
Req = 10,51 Ω
2.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 0,6678 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 + 6 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 2,625 Ω
R3 + 2,625 = 6,625 Ω
R2 ∥ 6,625 = 3,985 Ω
Req = R1 + 3,985 = 5 + 3,985 = 8,985 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 6/8,985 = 0,6678 A
Odpowiedź
IR1 = 0,6678 A
3.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: IR1 = 4,187 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 = 18 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/12 + (VA − 18)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0,6833·VA − 0,1·VB = 9
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/15 + (VB − VA)/10 = (−5)
−0,1·VA + 0,1667·VB = −5
Rozwiąż
Δ = (0,6833)(0,1667) − (−0,1)(−0,1) = 0,1039
VA = Δ1/Δ = 1/0,1039 = 9,626 V
VB = Δ2/Δ = −2,517/0,1039 = −24,22 V
Odpowiedź
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 9,626)/2 = 4,187 A
4.Metoda potencjałów węzłowych
Odpowiedź: VB = 1,607 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, V2 = −30 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/12 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,2·VA − 0,06667·VB = 1,5
PPK w węźle B
Prądy wypływające z B przez rezystory są równe prądowi wpływającemu do B ze źródeł.
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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 30
13·I1 − 10·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−30)
−10·I1 + 16·I2 = −30
Rozwiąż
Δ = (13)(16) − (−10)(−10) = 108
I1 = Δ1/Δ = 180/108 = 1,667 A
I2 = Δ2/Δ = −90/108 = −0,8333 A
Odpowiedź
I1 = 1,667 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
6.Metoda prądów oczkowych
Odpowiedź: IR3 = −0,8123 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 + 6(I1 − I2) = 9
11·I1 − 6·I2 = 9
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
12·I2 + 6(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 26·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
5·I3 + 8(I3 − I2) = (−10)
−8·I2 + 13·I3 = −10
Rozwiąż
Δ = wyznacznik macierzy współczynników = 2546
I1 = Δ1/Δ = 1986/2546 = 0,78 A
I2 = Δ2/Δ = −178/2546 = −0,06991 A
I3 = Δ3/Δ = −2068/2546 = −0,8123 A
Odpowiedź
IR3 = I3 = −0,8123 A
Ujemny prąd oczkowy płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
7.Superpozycja
Odpowiedź: VR2 = −15,6 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 = 20+10 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·30/(20+30) = 12 Ω
VA = 18·12/(3+12) = 14,4 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 14,4·10/30 = 4,8 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 14,4 = −14,4 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 22,61 = 6,933 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,933 = 10,4 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,4·2,609/22,61 = 1,2 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 1,2 = −1,2 V
Dodaj składowe
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−14,4) + (−1,2) = −15,6 V
Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości biegunowość jest odwrotna do zaznaczonej.
8.Superpozycja
Odpowiedź: V2 = 26,4 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 · V1 działające samodzielnie
V₂ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. Patrząc z A, R₃ jest równolegle z szeregową parą R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 12 = 3,529 Ω
VA = 6·3,529/(20+3,529) = 0,9 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,9·10/12 = 0,75 V
Przypadek 2 · Is działające samodzielnie
Oba źródła napięcia stają się zwarciami. Iₛ rozdziela się w B między R₄ (teraz do masy) a R₂ szeregowo z R₁ ∥ R₃. Strzałka Iₛ wskazuje w dół, od jego węzła, więc Iₛ odprowadza prąd z tego węzła: jego wyraz wchodzi ze znakiem minus.
R1 ∥ R3 = 4 Ω, więc lewa gałąź to R2+4 = 6 Ω
Req = R4 ∥ 6 = 3,75 Ω
VB = −Is·Req = −3·3,75 = −11,25 V
VA = VB·4/6 = −7,5 V
Przypadek 3 · V2 działające samodzielnie, na wolt
V₁ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. R₁ ∥ R₃ wychodzi z A, szeregowo z R₂ z powrotem do B.
R1 ∥ R3 = 4 Ω
VA‴ = V2·4/(10 + 2 + 4) = 0,25·V2
Przyrównaj VA do zera
Przy VA = 0 na R₃ nie ma napięcia, więc jego prąd jest równy zeru.
VA′ + VA″ + VA‴ = 0,9 + (−7,5) + 0,25·V2 = 0
V2 = 6,6/0,25 = 26,4 V
Odpowiedź
V2 = 26,4 V
9.Thévenin i Norton
Odpowiedź: Rth = 3,714 Ω
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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 2 = 3,714 Ω
10.Thévenin i Norton
Odpowiedź: Vth = 28,32 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 = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,108 + 2 = 10,11 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) = 8,108 + 2·8,108 = 24,32 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,32 + 2·2 = 28,32 V
11.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vin,max = 0,5909 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| = Rf/R1 = 22/1 = 22
Największe wejście przed obcinaniem
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/22 = 0,5909 V
Odpowiedź
Vin,max = 0,5909 V
12.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 0,511 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 = −0,5/1 = −0,5 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/100 = −0,011 mA
If = I1 + I2 = −0,511 mA
Napięcie wyjściowe
Vout = −Rf·If = −1·(−0,511) = 0,511 V
Odpowiedź
Vout = 0,511 V
13.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: τ = 43,56 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.
Obwód zastępczy Thevenina widziany przez kondensator
Zewrzyj źródło, aby wyznaczyć Rth; rozewrzyj kondensator, aby wyznaczyć napięcie, do którego się naładuje.
Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·2,2/(3,3 + 2,2) = 1,32 kΩ
vC(∞) = 6·2,2/(3,3 + 2,2) = 2,4 V
Stała czasowa
τ = Rth·C = 1,32·33 = 43,56 ms
Odpowiedź
τ = 43,56 ms
14.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: C = 307 µF
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.