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.
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 15 V і Is = 6 mA I = 19,2 mA; при Vs = 20 V і Is = 4 mA I = 24,8 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 6 V і Is = 3 mA.
15 V, 6 mA → 19,2 mA20 V, 4 mA → 24,8 mAVs = 6 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 10 ms.
Vs = 12 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.
Vs = 12 VR1 = 1 kΩR2 = 2,2 kΩC = 68 µFt = 200 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,3333 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 6 + 7,5 = 13,5 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/13,5 = 0,8889 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,8889·6 = 6,667 V
IR2 = VA/R2 = 6,667/20 = 0,3333 A
Відповідь
IR2 = 0,3333 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,1732 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 = 2 + 30 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 15,48 Ω
R3 + 15,48 = 20,48 Ω
R2 ∥ 20,48 = 12,17 Ω
Req = R1 + 12,17 = 30 + 12,17 = 42,17 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/42,17 = 0,4268 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,4268·30 = 5,195 V
IR2 = VA/R2 = 5,195/30 = 0,1732 A
Відповідь
IR2 = 0,1732 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I2 = −2 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 − 30)/3 + (VA − 12)/3 + (VA − (−6))/12 = 0
Знайдіть VA
VA = (30/3 + 12/3 + (−6)/12) / (1/3 + 1/3 + 1/12) = 13,5/0,75 = 18 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I2 = (12 − VA)/R2 = (12 − 18)/3 = −2 A
Відповідь
I2 = −2 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 10,4 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 = 9 V, V2 = −9 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 − 9)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,8·VA − 0,1·VB = 1,8
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/5 + (VB − VA)/10 + (VB − (−9))/6 = 6
−0,1·VA + 0,4667·VB = 4,5
Розв’яжіть
Δ = (0,8)(0,4667) − (−0,1)(−0,1) = 0,3633
VA = Δ1/Δ = 1,29/0,3633 = 3,55 V
VB = Δ2/Δ = 3,78/0,3633 = 10,4 V
Відповідь
VB = 10,4 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 1,294 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 + 2(I1 − I2) = 18
12·I1 − 2·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
4·I2 + 2(I2 − I1) = (−10)
−2·I1 + 6·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (12)(6) − (−2)(−2) = 68
I1 = Δ1/Δ = 88/68 = 1,294 A
I2 = Δ2/Δ = −84/68 = −1,235 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,294 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 0,673 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 + 2(I1 − I2) = 15
22·I1 − 2·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
30·I2 + 2(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 57·I2 − 25·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 + 25(I3 − I2) = (−5)
−25·I2 + 27·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 20000
I1 = Δ1/Δ = 13460/20000 = 0,673 A
I2 = Δ2/Δ = −1940/20000 = −0,097 A
I3 = Δ3/Δ = −5500/20000 = −0,275 A
Відповідь
IR1 = I1 = 0,673 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 7,8 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
15·k₁ + 6·k₂ = 19,2
20·k₁ + 4·k₂ = 24,8
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (15)(4) − (6)(20) = −60
k₁ = Δ1/Δ = −72/−60 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −12/−60 = 0,2
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = 0,2
Обчисліть новий струм
I = 1,2·6 + 0,2·3 = 7,8 mA
Відповідь
I = 7,8 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR4 = −2,056 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) = 15 ∥ 37 = 10,67 Ω
VA = 10·10,67/(4+10,67) = 7,274 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,274·12/37 = 2,359 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2,359 − 0)/12 = 0,1966 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 = 3,158 Ω, тож лівий шлях — R2+3,158 = 28,16 Ω
Req = R4 ∥ 28,16 = 8,414 Ω
VB = Is·Req = (−3)·8,414 = −25,24 V
VA = VB·3,158/28,16 = −2,831 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−25,24 − 0)/12 = −2,104 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·28,16/40,16 = 4,207 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,207·3,158/28,16 = 0,4718 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (4,207 − 6)/12 = −0,1494 A
Додайте складові
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1966 + (−2,104) + (−0,1494) = −2,056 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 3,429 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 20 = 22,86 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) = 12·4/(10+4) = 3,429 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 4,748 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 = 2·30/(2+30) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 12 = 13,88 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) = 33,75 + 3·1,875 = 39,38 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 39,38 + 3·12 = 75,37 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) = 75,37/(13,88 + 2) = 4,748 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −5,018 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.
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 = −0,7/4,7 = −0,1489 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/22 = 0,03182 mA
If = I1 + I2 = −0,1171 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −47·(−0,1171) = 5,505 V
Відповідь
Vout = 5,505 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 0,6336 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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0,6 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 = 12·e−10/3,4 = 0,6336 V
Відповідь
vL = 0,6336 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 2,167 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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.