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 = 2,5 AVs = 3 VR1 = 6 ΩR2 = 4 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 15 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).
Через котушку тече сталий струм 0,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,25 A? Знайдіть t.
i(0) = 0,5 AR = 22 ΩL = 47 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 250 ms.
Vs = 12 VR1 = 3,3 kΩR2 = 6,8 kΩC = 100 µFt = 250 ms
i2 = mA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,058 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 5·28/(5+28) = 4,242 Ω
Req = R1 + 4,242 = 15 + 4,242 = 19,24 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/19,24 = 1,247 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,247·15 = 5,291 V
IR2 = VA/R2 = 5,291/5 = 1,058 A
Відповідь
IR2 = 1,058 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 18,51 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 = 10 + 2 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 28,11 Ω
R2 ∥ 28,11 = 14,51 Ω
Req = R1 + 14,51 = 4 + 14,51 = 18,51 Ω
Відповідь
Req = 18,51 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Ix = 1,8 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 + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/6 + (VA + 3)/4 = 2,5
VA = (2,5 − 3/4)/(1/6 + 1/4) = 4,2 V
VB = 4,2 + 3 = 7,2 V
Струм через джерело напруги
Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.
Ix = VB/R2 = 7,2/4 = 1,8 A
Відповідь
Ix = 1,8 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 7 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
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(15 − 10)/8 + 15/6 = (VB − 15)/20
3,125 = (VB − 15)/20 → VB = 77,5 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (77,5 − 15)/20 + 77,5/20 = 7 A
Відповідь
Is = 7 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −0,4385 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) = 15
12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 2(I2 − I1) = (−12)
−2·I1 + 22·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (12)(22) − (−2)(−2) = 260
I1 = Δ1/Δ = 306/260 = 1,177 A
I2 = Δ2/Δ = −114/260 = −0,4385 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,4385 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −2,768 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
8·I1 + 5(I1 − I2) = 36
13·I1 − 5·I2 = 36
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 + 5(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 45·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
2·I3 + 10(I3 − I2) = (−30)
−10·I2 + 12·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 5420
I1 = Δ1/Δ = 14340/5420 = 2,646 A
I2 = Δ2/Δ = −1740/5420 = −0,321 A
I3 = Δ3/Δ = −15000/5420 = −2,768 A
Відповідь
I3 = −2,768 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 8,976 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
Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.
R3+R4 = 4+10 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·14/(5+14) = 3,684 Ω
VA = 12·3,684/(3+3,684) = 6,614 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,614·10/14 = 4,724 V
VR2′ = VA − 0 = 6,614 − 0 = 6,614 V
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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 5,875 = 3,701 Ω
VB = Is·Req = 2·3,701 = 7,402 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,402·1,875/5,875 = 2,362 V
VR2″ = VA − 0 = 2,362 − 0 = 2,362 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 6,614 + 2,362 = 8,976 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: IR2 = −0,75 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.
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 20,57 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 12 = 20,57 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = −0,5476 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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 8 = 12,8 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) = 3,6 + (−1)·4,8 = −1,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1,2 + (−1)·8 = −9,2 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) = −9,2/(12,8 + 4) = −0,5476 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,8 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 = 0,4/22 = 0,01818 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,4 + 0,01818·22 = 0,8 V
Відповідь
Vout = 0,8 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = −0,3713 mA
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 = −0,1/4,7 = −0,02128 mA
I2 = V2/R2 = −0,7/2 = −0,35 mA
If = I1 + I2 = −0,3713 mA
Відповідь
If = −0,3713 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1,481 ms
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 = 47 mH / 22 Ω = 2,136 ms
Виразіть час
0,25 = 0,5·e−t/τ → t = τ·ln(0,5/0,25)
t = 2,136·ln(2) = 1,481 ms
Відповідь
t = 1,481 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i2 = 0,8226 mA
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.