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).
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 2 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 10 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 26 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 2 mA2·V1: I = 10 mA−Is: I = 26 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.
V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 95% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 12 VR = 20 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 15 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 750 ms.
Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 15 Vt = 750 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 2,14 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 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R1 + 2,609 = 3 + 2,609 = 5,609 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/5,609 = 2,14 A
Відповідь
IR1 = 2,14 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 3,293 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 = 4 + 12 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,857 Ω
R3 + 6,857 = 26,86 Ω
R2 ∥ 26,86 = 4,215 Ω
Req = R1 + 4,215 = 5 + 4,215 = 9,215 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/9,215 = 3,907 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 3,907·5 = 16,47 V
IR2 = VA/R2 = 16,47/5 = 3,293 A
Відповідь
IR2 = 3,293 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 7,636 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 = 24 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/4 + (VA − 24)/8 + (VA − VB)/10 = 0
0,475·VA − 0,1·VB = 3
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/2 + (VB − VA)/10 = 3
−0,1·VA + 0,6·VB = 3
Розв’яжіть
Δ = (0,475)(0,6) − (−0,1)(−0,1) = 0,275
VA = Δ1/Δ = 2,1/0,275 = 7,636 V
VB = Δ2/Δ = 1,725/0,275 = 6,273 V
Відповідь
VA = 7,636 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 22,71 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)/4 + VA/6 + (VA + 9)/6 = 0,5
VA·(1/4 + 1/6 + 1/6) = 0,5 + 36/4 − 9/6 = 8
VA = 8/0,5833 = 13,71 V
VB = 22,71 V
Відповідь
VB = 22,71 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,3962 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 + 2(I1 − I2) = 12
22·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 5·I2 = −9
Розв’яжіть
Δ = (22)(5) − (−2)(−2) = 106
I1 = Δ1/Δ = 42/106 = 0,3962 A
I2 = Δ2/Δ = −174/106 = −1,642 A
Відповідь
I1 = 0,3962 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,5109 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
15·I1 + 25(I1 − I2) = 18
40·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 25(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 63·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−10)
−30·I2 + 32·I3 = −10
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 24640
I1 = Δ1/Δ = 12588/24640 = 0,5109 A
I2 = Δ2/Δ = 2400/24640 = 0,0974 A
I3 = Δ3/Δ = −5450/24640 = −0,2212 A
Відповідь
I1 = 0,5109 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR3 = 6,12 W
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 = 20+20 = 40 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·40/(6+40) = 5,217 Ω
VA = 30·5,217/(5+5,217) = 15,32 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15,32·20/40 = 7,66 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (15,32 − 7,66)/20 = 0,383 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 22,73 = 10,64 Ω
VB = Is·Req = 2·10,64 = 21,28 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,28·2,727/22,73 = 2,553 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR3 = IR3²·R3 = (−0,5532)²·20 = 6,12 W
Відповідь
PR3 = 6,12 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 20,46 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: I = −4 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 вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 2
2·I₁ + I₂ + I₃ = 10
I₁ + I₂ − I₃ = 26
Знайдіть внески
I₁ = 10 − 2 = 8 mA
I₃ = (2 − 26)/2 = −12 mA
I₂ = 2 − 8 − (−12) = 6 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 8 + (−12) = −4 mA
Відповідь
I = −4 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 9 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 6 = 9 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 1,208 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 25 = 32,5 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) = 6,75 + 1·7,5 = 14,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,25 + 1·25 = 39,25 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 = 39,25/32,5 = 1,208 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −9,4 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.
Напруга на входах
Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = 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 = −0,5/2 = −0,25 mA
I2 = V2/R2 = −1,7/47 = −0,03617 mA
If = I1 + I2 = −0,2862 mA
Відповідь
If = −0,2862 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1,498 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 і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0,6 A
Виразіть час
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −0,5·ln(0,05) = 1,498 ms
Відповідь
t = 1,498 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 23,14 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.