ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Через котушку тече сталий струм 3 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 50 ms.
i(0) = 3 AR = 10 ΩL = 220 mHt = 50 ms
vR = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 150 ms.
Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 Vt = 150 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 4,821 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 = 3 + 2 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R1 + 2,222 = 4 + 2,222 = 6,222 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/6,222 = 4,821 A
Відповідь
IR1 = 4,821 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 2,445 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 13,21 Ω
R3 + 13,21 = 33,21 Ω
R2 ∥ 33,21 = 3,57 Ω
Req = R1 + 3,57 = 3 + 3,57 = 6,57 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/6,57 = 2,74 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,74·3 = 9,781 V
IR2 = VA/R2 = 9,781/4 = 2,445 A
Відповідь
IR2 = 2,445 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 42,61 W
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 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/5 + (VA − 15)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,4333·VA − 0,1667·VB = 1
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 17,05·2,5 = 42,61 W
Відповідь
PIs = 42,61 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 1,11 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 = 9 V, V2 = −30 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/4 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/3 = 0
0,7083·VA − 0,3333·VB = 1,125
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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 15
11·I1 − 3·I2 = 15
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
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 23·I2 = −9
Розв’яжіть
Δ = (11)(23) − (−3)(−3) = 244
I1 = Δ1/Δ = 318/244 = 1,303 A
I2 = Δ2/Δ = −54/244 = −0,2213 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,303 A
VR1 = IR1·R1 = 1,303·8 = 10,43 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR5 = 2,357 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
20·I1 + 8(I1 − I2) = 15
28·I1 − 8·I2 = 15
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
20·I2 + 8(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 38·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
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−36)
−10·I2 + 14·I3 = −36
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 11200
I1 = Δ1/Δ = 3600/11200 = 0,3214 A
I2 = Δ2/Δ = −8400/11200 = −0,75 A
I3 = Δ3/Δ = −34800/11200 = −3,107 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 2,357 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR1 = 0,3611 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+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
VA = 12·3,429/(12+3,429) = 2,667 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,667·5/8 = 1,667 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 2,667)/12 = 0,7778 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 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7 = 2,917 Ω
VB = Is·Req = 3·2,917 = 8,75 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,75·4/7 = 5 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5)/12 = −0,4167 A
Додайте складові
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,7778 + (−0,4167) = 0,3611 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 3,667 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) = 5 ∥ 10 = 3,333 Ω
VA = 5·3,333/(6+3,333) = 1,786 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,786·8/10 = 1,429 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R3 = 2,727 Ω, тож лівий шлях — R2+2,727 = 4,727 Ω
Req = R4 ∥ 4,727 = 2,971 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·2,971 = −4,457 V
VA = VB·2,727/4,727 = −2,571 V
Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 2,727 Ω
VA‴ = V2·2,727/(8 + 2 + 2,727) = 0,2143·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 4 = 7,333 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,08645 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 2 = 7,217 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) = 10,43 + (−1)·5,217 = 5,217 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,217 + (−1)·2 = 3,217 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) = 3,217/(7,217 + 30) = 0,08645 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 1,4 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 = 10/1 = 10
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/10 = 1,4 V
Відповідь
Vin,max = 1,4 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,5309 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 = 1,7/2 = 0,85 mA
I2 = V2/R2 = −1,5/4,7 = −0,3191 mA
If = I1 + I2 = 0,5309 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −1·0,5309 = −0,5309 V
Відповідь
Vout = −0,5309 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vR = 3,091 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
τ = L/R = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
Спадання струму
i(t) = 3·e−50/22 = 0,3091 A
vR = R·i = 10·0,3091 = 3,091 V
Відповідь
vR = 3,091 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 7,446 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.