Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 18 VIs = 0,5 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 4.
R1 = 4,7 kΩAv = 4
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 0,1 VV2 = 0,3 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
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 = 2 ms.
Vs = 5 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм котушки i при t = 1 ms.
Vs = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,7789 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 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω
Req = R1 + 8,108 = 15 + 8,108 = 23,11 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/23,11 = 0,7789 A
Відповідь
IR1 = 0,7789 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,7515 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 10,12 Ω
R3 + 10,12 = 12,12 Ω
R2 ∥ 12,12 = 3,007 Ω
Req = R1 + 3,007 = 15 + 3,007 = 18,01 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/18,01 = 0,9996 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,9996·15 = 3,006 V
IR2 = VA/R2 = 3,006/4 = 0,7515 A
Відповідь
IR2 = 0,7515 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = −5,535 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/5 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/6 = 0
0,5333·VA − 0,1667·VB = 1,667
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/3 + (VB − VA)/6 = (−3)
−0,1667·VA + 0,5·VB = −3
Розв’яжіть
Δ = (0,5333)(0,5) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2389
VA = Δ1/Δ = 0,3333/0,2389 = 1,395 V
VB = Δ2/Δ = −1,322/0,2389 = −5,535 V
Відповідь
VB = −5,535 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = −0,5517 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 = 15 V, V2 = 24 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 − 15)/3 + (VA − VB)/2 = 0
1,333·VA − 0,5·VB = 5
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/15 + (VB − VA)/2 + (VB − 24)/8 = 5
−0,5·VA + 0,6917·VB = 8
Розв’яжіть
Δ = (1,333)(0,6917) − (−0,5)(−0,5) = 0,6722
VA = Δ1/Δ = 7,458/0,6722 = 11,1 V
VB = Δ2/Δ = 13,17/0,6722 = 19,59 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (19,59 − 24)/8 = −0,5517 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR3 = 15,68 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
5·I1 + 3(I1 − I2) = 6
8·I1 − 3·I2 = 6
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
2·I2 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 5·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (8)(5) − (−3)(−3) = 31
I1 = Δ1/Δ = −60/31 = −1,935 A
I2 = Δ2/Δ = −222/31 = −7,161 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 5,226 A
VR3 = IR3·R3 = 5,226·3 = 15,68 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −0,3285 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
30·I1 + 2(I1 − I2) = 10
32·I1 − 2·I2 = 10
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
5·I2 + 2(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 27·I2 − 20·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
30·I3 + 20(I3 − I2) = (−12)
−20·I2 + 50·I3 = −12
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 30200
I1 = Δ1/Δ = 9020/30200 = 0,2987 A
I2 = Δ2/Δ = −6680/30200 = −0,2212 A
I3 = Δ3/Δ = −9920/30200 = −0,3285 A
Відповідь
I3 = −0,3285 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR1 = 0,8313 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+4 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·16/(12+16) = 6,857 Ω
VA = 15·6,857/(5+6,857) = 8,675 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,675·4/16 = 2,169 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 8,675)/5 = 1,265 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 15,53 = 3,181 Ω
VB = Is·Req = 3·3,181 = 9,542 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,542·3,529/15,53 = 2,169 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,169)/5 = −0,4337 A
Додайте складові
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,265 + (−0,4337) = 0,8313 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 51,5 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) = 10 ∥ 17 = 6,296 Ω
VA = 15·6,296/(30+6,296) = 2,602 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,602·15/17 = 2,296 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 = 7,5 Ω, тож лівий шлях — R2+7,5 = 9,5 Ω
Req = R4 ∥ 9,5 = 5,816 Ω
VB = −Is·Req = −4·5,816 = −23,27 V
VA = VB·7,5/9,5 = −18,37 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 = 7,5 Ω
VA‴ = V2·7,5/(15 + 2 + 7,5) = 0,3061·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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 20 = 21,71 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) = 15·12/(2+12) = 12,86 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 = 12,86/21,71 = 0,5921 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,86 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 20 = 22,22 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) = 8 + 0,5·2,222 = 9,111 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,111 + 0,5·20 = 19,11 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 = 19,11/22,22 = 0,86 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 14,1 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (4 − 1)·4,7 = 14,1 kΩ
Відповідь
Rf = 14,1 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,136 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 = 0,1/1 = 0,1 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/22 = 0,01364 mA
If = I1 + I2 = 0,1136 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −10·0,1136 = −1,136 V
Відповідь
Vout = −1,136 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 1,318 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 = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/100 = 0,05 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 = 5·e−2/1,5 = 1,318 V
Відповідь
vL = 1,318 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,4806 A
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
До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.