Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.
Is = 1,5 AVs = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 5 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 12 V і Is = 6 mA I = 3 mA; при Vs = 5 V і Is = 6 mA I = −0,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 15 V і Is = 1 mA.
12 V, 6 mA → 3 mA5 V, 6 mA → −0,5 mAVs = 15 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
За методом накладання знайдіть потужність PR3, яку споживає R3.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 9 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 3 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 3,9 V? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 3 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 25,45 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.
R3 + R4 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Req = R1 + 5,455 = 20 + 5,455 = 25,45 Ω
Відповідь
Req = 25,45 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 16,11 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 3,077 Ω
R3 + 3,077 = 13,08 Ω
R2 ∥ 13,08 = 4,113 Ω
Req = R1 + 4,113 = 12 + 4,113 = 16,11 Ω
Відповідь
Req = 16,11 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Ix = 1,25 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.
Утворіть надвузол
Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.
VB = VA + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/5 + (VA + 5)/5 = 1,5
VA = (1,5 − 5/5)/(1/5 + 1/5) = 1,25 V
VB = 1,25 + 5 = 6,25 V
Струм через джерело напруги
Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.
Ix = VB/R2 = 6,25/5 = 1,25 A
Відповідь
Ix = 1,25 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,2407 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 = 5 V, V2 = 12 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/3 + (VA − 5)/6 + (VA − VB)/4 = 0
0,75·VA − 0,25·VB = 0,8333
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/15 + (VB − VA)/4 + (VB − 12)/5 = 0,5
−0,25·VA + 0,5167·VB = 2,9
Розв’яжіть
Δ = (0,75)(0,5167) − (−0,25)(−0,25) = 0,325
VA = Δ1/Δ = 1,156/0,325 = 3,556 V
VB = Δ2/Δ = 2,383/0,325 = 7,333 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 3,556)/6 = 0,2407 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −0,2105 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 12
16·I1 − 8·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 8(I2 − I1) = (−10)
−8·I1 + 23·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (16)(23) − (−8)(−8) = 304
I1 = Δ1/Δ = 196/304 = 0,6447 A
I2 = Δ2/Δ = −64/304 = −0,2105 A
Відповідь
I2 = −0,2105 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR3 = −5,634 V
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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 24
17·I1 − 2·I2 = 24
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) + 4(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 18·I2 − 4·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
2·I3 + 4(I3 − I2) = (−15)
−4·I2 + 6·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1540
I1 = Δ1/Δ = 2088/1540 = 1,356 A
I2 = Δ2/Δ = −732/1540 = −0,4753 A
I3 = Δ3/Δ = −4338/1540 = −2,817 A
Відповідь
IR3 = I3 = −2,817 A
VR3 = IR3·R3 = −2,817·2 = −5,634 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 7 mA
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.
Запишіть відгук як суму внесків
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу з коефіцієнтом, що залежить лише від резисторів.
I = k₁·Vs + k₂·Is
12·k₁ + 6·k₂ = 3
5·k₁ + 6·k₂ = −0,5
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (12)(6) − (6)(5) = 42
k₁ = Δ1/Δ = 21/42 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = −21/42 = −0,5
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = −0,5
Обчисліть новий струм
I = 0,5·15 + (−0,5)·1 = 7 mA
Відповідь
I = 7 mA
8.Метод накладання
Відповідь: PR3 = 21,02 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) = 20 ∥ 33 = 12,45 Ω
VA = 18·12,45/(4+12,45) = 13,62 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,62·30/33 = 12,39 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (13,62 − 0)/20 = 0,6812 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 = 3,333 Ω, тож лівий шлях — R2+3,333 = 6,333 Ω
Req = R4 ∥ 6,333 = 5,229 Ω
VB = Is·Req = 1,5·5,229 = 7,844 V
VA = VB·3,333/6,333 = 4,128 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (4,128 − 0)/20 = 0,2064 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·6,333/36,33 = 5,229 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,229·3,333/6,333 = 2,752 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR3 = IR3²·R3 = 1,025²·20 = 21,02 W
Відповідь
PR3 = 21,02 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 10,51 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 17,14 V
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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 15 = 16,71 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) = 30·4/(3+4) = 17,14 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = −13,57 V
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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 15 = 17,86 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) = 4,286 + (−1)·2,857 = 1,429 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 1,429 + (−1)·15 = −13,57 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 700 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (8 − 1)·100 = 700 kΩ
Відповідь
Rf = 700 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,7113 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.
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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.