Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I2 у вітці 2, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.
Vs = 12 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 9 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 6,75 V, рівно через 20 ms після старту. При R = 1 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 9 VVth = 6,75 VT = 20 msR = 1 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 18,53 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 = 10 + 2 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Req = R1 + 3,529 = 15 + 3,529 = 18,53 Ω
Відповідь
Req = 18,53 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 12,45 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 = 30 + 8 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 6,609 Ω
R3 + 6,609 = 10,61 Ω
R2 ∥ 10,61 = 7,448 Ω
Req = R1 + 7,448 = 5 + 7,448 = 12,45 Ω
Відповідь
Req = 12,45 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I2 = 2,4 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.
ЗСК для вузла A
Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.
(VA − 12)/3 + (VA − 18)/6 + (VA − (−12))/3 = 0
Знайдіть VA
VA = (12/3 + 18/6 + (−12)/3) / (1/3 + 1/6 + 1/3) = 3/0,8333 = 3,6 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I2 = (18 − VA)/R2 = (18 − 3,6)/6 = 2,4 A
Відповідь
I2 = 2,4 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 0,757 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 = 24 V, V2 = 15 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/2 + (VA − 24)/25 + (VA − VB)/6 = 0
0,7067·VA − 0,1667·VB = 0,96
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/10 + (VB − VA)/6 + (VB − 15)/8 = (−3)
−0,1667·VA + 0,3917·VB = −1,125
Розв’яжіть
Δ = (0,7067)(0,3917) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,249
VA = Δ1/Δ = 0,1885/0,249 = 0,757 V
VB = Δ2/Δ = −0,635/0,249 = −2,55 V
Відповідь
VA = 0,757 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −0,72 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. 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
10·I1 + 12(I1 − I2) = 6
22·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 12(I2 − I1) = (−18)
−12·I1 + 27·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (22)(27) − (−12)(−12) = 450
I1 = Δ1/Δ = −54/450 = −0,12 A
I2 = Δ2/Δ = −324/450 = −0,72 A
Відповідь
I2 = −0,72 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −0,2923 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 + 20(I1 − I2) = 12
45·I1 − 20·I2 = 12
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
25·I2 + 20(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 60·I2 − 15·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
6·I3 + 15(I3 − I2) = (−24)
−15·I2 + 21·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 38175
I1 = Δ1/Δ = 5220/38175 = 0,1367 A
I2 = Δ2/Δ = −11160/38175 = −0,2923 A
I3 = Δ3/Δ = −51600/38175 = −1,352 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,2923 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR2 = 0,7556 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 = 20+10 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·30/(15+30) = 10 Ω
VA = 12·10/(5+10) = 8 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8·10/30 = 2,667 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (8 − 0)/15 = 0,5333 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 23,75 = 7,037 Ω
VB = Is·Req = 3·7,037 = 21,11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,11·3,75/23,75 = 3,333 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,333 − 0)/15 = 0,2222 A
Додайте складові
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,5333 + 0,2222 = 0,7556 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: IR3 = 0,6625 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
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 15 = 10 Ω
VA = 15·10/(6+10) = 9,375 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 9,375·12/15 = 7,5 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (9,375 − 0)/30 = 0,3125 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 = 5 Ω, тож лівий шлях — R2+5 = 8 Ω
Req = R4 ∥ 8 = 4,8 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,8 = 7,2 V
VA = VB·5/8 = 4,5 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (4,5 − 0)/30 = 0,15 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 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·8/20 = 9,6 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,6·5/8 = 6 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (6 − 0)/30 = 0,2 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,3125 + 0,15 + 0,2 = 0,6625 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,2927 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 2 = 4,4 Ω
Знайдіть Vth — напругу холостого ходу
Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·3/(12+3) = 4,8 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) = 4,8/(4,4 + 12) = 0,2927 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,091 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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 25 = 27,68 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) = 21,43 + 1,5·2,679 = 25,45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25,45 + 1,5·25 = 62,95 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) = 62,95/(27,68 + 30) = 1,091 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 0,564 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| = Rf/R1 = 100/4,7 = 21,28
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/21,28 = 0,564 V
Відповідь
Vin,max = 0,564 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −7,253 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = 0,7/22 = 0,03182 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/4,7 = 0,2979 mA
If = I1 + I2 = 0,3297 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −22·0,3297 = −7,253 V
Відповідь
Vout = −7,253 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,3639 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
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.