До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = −2 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 0,5 ms.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 5 ms.
Vs = 20 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 5 ms.
Vs = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 6,882 Ω
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R3 + R4 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 2·32/(2+32) = 1,882 Ω
Req = R1 + 1,882 = 5 + 1,882 = 6,882 Ω
Відповідь
Req = 6,882 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 22,59 Ω
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R5 + R6 = 6 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 12,86 Ω
R3 + 12,86 = 18,86 Ω
R2 ∥ 18,86 = 2,588 Ω
Req = R1 + 2,588 = 20 + 2,588 = 22,59 Ω
Відповідь
Req = 22,59 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 19,51 V
Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 V). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/8 + (VA − 15)/20 + (VA − VB)/3 = 0
0,5083·VA − 0,3333·VB = 0,75
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/3 = 5
−0,3333·VA + 0,5·VB = 5
Розв’яжіть
Δ = (0,5083)(0,5) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1431
VA = Δ1/Δ = 2,042/0,1431 = 14,27 V
VB = Δ2/Δ = 2,792/0,1431 = 19,51 V
Відповідь
VB = 19,51 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = −0,4417 A
Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 36 V, V2 = 36 V). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/10 + (VA − 36)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,3167·VA − 0,1667·VB = 1,8
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.
Призначте контурні струми
У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.
ЗНК для контуру 1
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
3·I1 + 8(I1 − I2) = 18
11·I1 − 8·I2 = 18
ЗНК для контуру 2
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 13·I2 = −6
Розв’яжіть
Δ = (11)(13) − (−8)(−8) = 79
I1 = Δ1/Δ = 186/79 = 2,354 A
I2 = Δ2/Δ = 78/79 = 0,9873 A
Відповідь
I2 = 0,9873 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR5 = 0,6417 A
Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.
Призначте контурні струми
У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2, I3. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.
ЗНК для контуру 1
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
25·I1 + 2(I1 − I2) = 6
27·I1 − 2·I2 = 6
ЗНК для контуру 2
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 2(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 24·I2 − 10·I3 = 0
ЗНК для контуру 3
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 18·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8892
I1 = Δ1/Δ = 1692/8892 = 0,1903 A
I2 = Δ2/Δ = −3834/8892 = −0,4312 A
I3 = Δ3/Δ = −9540/8892 = −1,073 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 0,6417 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR2 = −1,802 A
Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.
Випадок 1 · діє лише V1
Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.
R3+R4 = 12+10 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·22/(3+22) = 2,64 Ω
VA = 10·2,64/(20+2,64) = 1,166 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,166·10/22 = 0,53 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 1,166)/3 = −0,3887 A
Випадок 2 · діє лише Is
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ паралельний R₂. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ і шляхом через R₃.
R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 14,61 = 5,936 Ω
VB = Is·Req = 4·5,936 = 23,75 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 23,75·2,609/14,61 = 4,24 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 4,24)/3 = −1,413 A
Додайте складові
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0,3887) + (−1,413) = −1,802 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: PR4 = 0,7287 W
Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.
Випадок 1 · діє лише V1
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 6 ∥ 9 = 3,6 Ω
VA = 5·3,6/(3+3,6) = 2,727 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,727·6/9 = 1,818 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,818 − 0)/6 = 0,303 A
Випадок 2 · діє лише Is
Обидва джерела напруги стають короткими замиканнями. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ (тепер до землі) і R₂, послідовним із R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 2 Ω, тож лівий шлях — R2+2 = 5 Ω
Req = R4 ∥ 5 = 2,727 Ω
VB = Is·Req = 2,5·2,727 = 6,818 V
VA = VB·2/5 = 2,727 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (6,818 − 0)/6 = 1,136 A
Випадок 3 · діє лише V2
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·5/11 = 5,455 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = 0,3485²·6 = 0,7287 W
Відповідь
PR4 = 0,7287 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 15,44 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 22,31 Ω
Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.
Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами
Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.
R1 ∥ R2 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 20 = 22,31 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,486 A
Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.
Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами
Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.
R1 ∥ R2 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 5 = 7,667 Ω
Знайдіть Vth — напругу холостого ходу
Коли a–b розімкнені, Iₛ може текти лише через R₃ у вузол A. Знайдіть V_A накладанням V₁ та Iₛ, потім додайте спад на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 2 + 2·2,667 = 7,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,333 + 2·5 = 17,33 V
Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена
Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 17,33/(7,667 + 4) = 1,486 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 3,881 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Коефіцієнт підсилення
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 4,7/2 = 3,35
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3,35 = 3,881 V
Відповідь
Vin,max = 3,881 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,128 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Вхідний струм і швидкість наростання
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
RC = 1 kΩ · 0,47 µF = 0,47 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−2)/0,47 = 4,255 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2)·0,5/0,47 = 2,128 V
Відповідь
Vout = 2,128 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 6,657 V
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−5/4,545 = 6,657 V
Відповідь
vL = 6,657 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,3537 A
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.