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).
Is = 3 AVs = 3 VR1 = 4 ΩR2 = 8 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 12 V і Is = 2 mA I = 9,2 mA; при Vs = 4 V і Is = 5 mA I = 2,2 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 8 V і Is = 8 mA.
12 V, 2 mA → 9,2 mA4 V, 5 mA → 2,2 mAVs = 8 V, Is = 8 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 20.
R1 = 1 kΩAv = 20
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 2 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 200 ms.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.
Vs = 9 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 20 Vt = 200 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,5091 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 = 15 + 20 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 6·35/(6+35) = 5,122 Ω
Req = R1 + 5,122 = 15 + 5,122 = 20,12 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/20,12 = 0,5964 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,5964·15 = 3,055 V
IR2 = VA/R2 = 3,055/6 = 0,5091 A
Відповідь
IR2 = 0,5091 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,7745 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 4,364 Ω
R3 + 4,364 = 8,364 Ω
R2 ∥ 8,364 = 3,494 Ω
Req = R1 + 3,494 = 12 + 3,494 = 15,49 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/15,49 = 0,7745 A
Відповідь
IR1 = 0,7745 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 10 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 + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/4 + (VA + 3)/8 = 3
VA = (3 − 3/8)/(1/4 + 1/8) = 7 V
VB = 7 + 3 = 10 V
Відповідь
VB = 10 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 1,144 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 = 9 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/4 + (VA − 9)/3 + (VA − VB)/12 = 0
0,6667·VA − 0,08333·VB = 3
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 6
13·I1 − 10·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
3·I2 + 10(I2 − I1) = (−10)
−10·I1 + 13·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (13)(13) − (−10)(−10) = 69
I1 = Δ1/Δ = −22/69 = −0,3188 A
I2 = Δ2/Δ = −70/69 = −1,014 A
Відповідь
I2 = −1,014 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,311 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 + 3(I1 − I2) = 12
33·I1 − 3·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
25·I2 + 3(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 31·I2 − 3·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
3·I3 + 3(I3 − I2) = (−36)
−3·I2 + 6·I3 = −36
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 5787
I1 = Δ1/Δ = 1800/5787 = 0,311 A
I2 = Δ2/Δ = −3348/5787 = −0,5785 A
I3 = Δ3/Δ = −36396/5787 = −6,289 A
Відповідь
I1 = 0,311 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 4,8 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
12·k₁ + 2·k₂ = 9,2
4·k₁ + 5·k₂ = 2,2
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (12)(5) − (2)(4) = 52
k₁ = Δ1/Δ = 41,6/52 = 0,8
k₂ = Δ2/Δ = −10,4/52 = −0,2
k₁ = 0,8 mA/V, k₂ = −0,2
Обчисліть новий струм
I = 0,8·8 + (−0,2)·8 = 4,8 mA
Відповідь
I = 4,8 mA
8.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 6,55 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) = 8 ∥ 27 = 6,171 Ω
VA = 30·6,171/(20+6,171) = 7,074 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,074·2/27 = 0,524 V
VR2′ = VA − VB = 7,074 − 0,524 = 6,55 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.
R1 ∥ R3 = 5,714 Ω, тож лівий шлях — R2+5,714 = 30,71 Ω
Req = R4 ∥ 30,71 = 1,878 Ω
VB = Is·Req = 6·1,878 = 11,27 V
VA = VB·5,714/30,71 = 2,096 V
VR2″ = VA − VB = 2,096 − 11,27 = −9,17 V
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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·30,71/32,71 = −11,27 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −11,27·5,714/30,71 = −2,096 V
VR2‴ = VA − VB = −2,096 − −11,27 = 9,17 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 6,55 + (−9,17) + 9,17 = 6,55 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,4891 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 20 = 23 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/(4+12) = 11,25 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 = 11,25/23 = 0,4891 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 46,15 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 15 = 19,62 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) = 6,923 + 2·4,615 = 16,15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,15 + 2·15 = 46,15 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 19 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 = (20 − 1)·1 = 19 kΩ
Відповідь
Rf = 19 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −8,264 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.
Вхідний струм і швидкість наростання
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
RC = 22 kΩ · 2,2 µF = 48,4 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −2/48,4 = −0,04132 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2·200/48,4 = −8,264 V
Відповідь
Vout = −8,264 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 7,599 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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 A
Виразіть час
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −1,65·ln(0,01) = 7,599 ms
Відповідь
t = 7,599 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 17,2 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.