Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = −0,4 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Знайдіть загальний коефіцієнт підсилення за напругою Av = Vout/Vin.
R1 = 10 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 22 kΩ
Av =
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 2,5 V, рівно через 100 ms після старту. При C = 4,7 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 100 msC = 4,7 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,3962 A
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 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 3·14/(3+14) = 2,471 Ω
Req = R1 + 2,471 = 10 + 2,471 = 12,47 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/12,47 = 0,4811 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,4811·10 = 1,189 V
IR2 = VA/R2 = 1,189/3 = 0,3962 A
Відповідь
IR2 = 0,3962 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,245 A
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 = 10 + 25 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 10,5 Ω
R3 + 10,5 = 20,5 Ω
R2 ∥ 20,5 = 4,642 Ω
Req = R1 + 4,642 = 5 + 4,642 = 9,642 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/9,642 = 1,245 A
Відповідь
IR1 = 1,245 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 13,75 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/10 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/15 = 0
0,6667·VA − 0,06667·VB = 7,5
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 = 9 V, V2 = −5 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 − 9)/25 + (VA − VB)/8 = 0
0,4983·VA − 0,125·VB = 0,36
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/6 + (VB − VA)/8 + (VB − (−5))/2 = 5
−0,125·VA + 0,7917·VB = 2,5
Розв’яжіть
Δ = (0,4983)(0,7917) − (−0,125)(−0,125) = 0,3789
VA = Δ1/Δ = 0,5975/0,3789 = 1,577 V
VB = Δ2/Δ = 1,291/0,3789 = 3,407 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 1,577)/25 = 0,2969 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 0,5069 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
20·I1 + 10(I1 − I2) = 9
30·I1 − 10·I2 = 9
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
3·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 13·I2 = −6
Розв’яжіть
Δ = (30)(13) − (−10)(−10) = 290
I1 = Δ1/Δ = 57/290 = 0,1966 A
I2 = Δ2/Δ = −90/290 = −0,3103 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 0,5069 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR5 = 2,702 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
30·I1 + 3(I1 − I2) = 24
33·I1 − 3·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
3·I2 + 3(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 10·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
3·I3 + 4(I3 − I2) = (−5)
−4·I2 + 7·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1719
I1 = Δ1/Δ = 1236/1719 = 0,719 A
I2 = Δ2/Δ = −156/1719 = −0,09075 A
I3 = Δ3/Δ = −1317/1719 = −0,7661 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 0,6754 A
VR5 = IR5·R5 = 0,6754·4 = 2,702 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR1 = −1,42 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 = 3+15 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·18/(8+18) = 5,538 Ω
VA = 10·5,538/(8+5,538) = 4,091 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,091·15/18 = 3,409 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (4,091 − 10)/8 = −0,7386 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 7 = 4,773 Ω
VB = Is·Req = (−2)·4,773 = −9,545 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −9,545·4/7 = −5,455 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (−5,455 − 0)/8 = −0,6818 A
Додайте складові
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−0,7386) + (−0,6818) = −1,42 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: VR2 = −5,603 V
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) = 25 ∥ 21 = 11,41 Ω
VA = 24·11,41/(5+11,41) = 16,69 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 16,69·15/21 = 11,92 V
VR2′ = VA − VB = 16,69 − 11,92 = 4,768 V
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 = 4,167 Ω, тож лівий шлях — R2+4,167 = 10,17 Ω
Req = R4 ∥ 10,17 = 6,06 Ω
VB = Is·Req = 0,5·6,06 = 3,03 V
VA = VB·4,167/10,17 = 1,242 V
VR2″ = VA − VB = 1,242 − 3,03 = −1,788 V
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 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·10,17/25,17 = 14,54 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 14,54·4,167/10,17 = 5,96 V
VR2‴ = VA − VB = 5,96 − 14,54 = −8,583 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 4,768 + (−1,788) + (−8,583) = −5,603 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 11,16 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 8 = 11,16 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 6,746 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 8 = 10,31 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) = 7,692 + 6·2,308 = 21,54 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,54 + 6·8 = 69,54 V
Еквівалент Нортона
Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.
IN = Vth/Rth = 69,54/10,31 = 6,746 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,2 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.
Інвертувальний вхід повторює вхід
V₋ = V₊ = −0,4 V
I = V₋/R1 = −0,4/1 = −0,4 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,4 + (−0,4)·2 = −1,2 V
Відповідь
Vout = −1,2 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Av = −12
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 кожного каскаду
A1 = −Rf1/R1 = −10/10 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/2 = 12
Загальний коефіцієнт підсилення
Av = A1·A2 = −1·12 = −12
Відповідь
Av = −12
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 4,463 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 = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 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−1/0,6667 = 4,463 V
Відповідь
vL = 4,463 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 30,7 kΩ
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.