Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 0,1 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 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 = 2 kΩRf1 = 22 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 = 5 ms.
Vs = 10 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 6 V, рівно через 500 ms після старту. При C = 2,2 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 12 VVth = 6 VT = 500 msC = 2,2 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 22,74 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 = 6 + 10 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7,742 Ω
Req = R1 + 7,742 = 15 + 7,742 = 22,74 Ω
Відповідь
Req = 22,74 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,934 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 = 5 + 30 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 10,5 Ω
R3 + 10,5 = 14,5 Ω
R2 ∥ 14,5 = 1,758 Ω
Req = R1 + 1,758 = 6 + 1,758 = 7,758 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/7,758 = 1,934 A
Відповідь
IR1 = 1,934 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 8,608 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 = 10 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/15 + (VA − 10)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,1833·VA − 0,05·VB = 0,6667
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/20 = 2
−0,05·VA + 0,1333·VB = 2
Розв’яжіть
Δ = (0,1833)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,02194
VA = Δ1/Δ = 0,1889/0,02194 = 8,608 V
VB = Δ2/Δ = 0,4/0,02194 = 18,23 V
Відповідь
VA = 8,608 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 33,51 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.
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 + 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 36)/8 + VA/6 + (VA + 9)/10 = 6
VA·(1/8 + 1/6 + 1/10) = 6 + 36/8 − 9/10 = 9,6
VA = 9,6/0,3917 = 24,51 V
VB = 33,51 V
Відповідь
VB = 33,51 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR1 = 22,15 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. 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 30
16·I1 − 4·I2 = 30
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
10·I2 + 4(I2 − I1) = (−9)
−4·I1 + 14·I2 = −9
Розв’яжіть
Δ = (16)(14) − (−4)(−4) = 208
I1 = Δ1/Δ = 384/208 = 1,846 A
I2 = Δ2/Δ = −24/208 = −0,1154 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,846 A
VR1 = IR1·R1 = 1,846·12 = 22,15 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −0,2951 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
3·I1 + 30(I1 − I2) = 12
33·I1 − 30·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
6·I2 + 30(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 51·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
5·I3 + 15(I3 − I2) = (−10)
−15·I2 + 20·I3 = −10
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8235
I1 = Δ1/Δ = 5040/8235 = 0,612 A
I2 = Δ2/Δ = 2250/8235 = 0,2732 A
I3 = Δ3/Δ = −2430/8235 = −0,2951 A
Відповідь
I3 = −0,2951 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR2 = 2,916 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 = 12+15 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·27/(3+27) = 2,7 Ω
VA = 18·2,7/(20+2,7) = 2,141 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,141·15/27 = 1,189 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,141 − 0)/3 = 0,7137 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 14,61 = 7,401 Ω
VB = Is·Req = 5·7,401 = 37 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 37·2,609/14,61 = 6,608 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (6,608 − 0)/3 = 2,203 A
Додайте складові
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,7137 + 2,203 = 2,916 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 2 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) = 3 ∥ 10 = 2,308 Ω
VA = 12·2,308/(15+2,308) = 1,6 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,6·5/10 = 0,8 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 = 2,5 Ω, тож лівий шлях — R2+2,5 = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ 7,5 = 3 Ω
VB = −Is·Req = −2·3 = −6 V
VA = VB·2,5/7,5 = −2 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 = 2,5 Ω
VA‴ = V2·2,5/(5 + 5 + 2,5) = 0,2·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
VA′ + VA″ + VA‴ = 1,6 + (−2) + 0,2·V2 = 0
V2 = 0,4/0,2 = 2 V
Відповідь
V2 = 2 V
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,5 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 2 = 5,429 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) = 30·8/(6+8) = 17,14 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) = 17,14/(5,429 + 6) = 1,5 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,136 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 3 = 4,5 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) = 7,5 + 2,5·1,5 = 11,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,25 + 2,5·3 = 18,75 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) = 18,75/(4,5 + 12) = 1,136 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,57 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₊ = 0,1 V
I = V₋/R1 = 0,1/1 = 0,1 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,1 + 0,1·4,7 = 0,57 V
Відповідь
Vout = 0,57 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Av = −132
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 = −22/2 = −11
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/2 = 12
Загальний коефіцієнт підсилення
Av = A1·A2 = −11·12 = −132
Відповідь
Av = −132
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 2,298 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 = 10/20 = 0,5 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 = 10·e−5/3,4 = 2,298 V
Відповідь
vL = 2,298 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 327,9 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.