Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I2 у вітці 2, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 24,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 10 kΩRf = 22 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 1,4 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 2 ms.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 90% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 100 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 10 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 300 ms.
Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 10 Vt = 300 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 30,7 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 20·23/(20+23) = 10,7 Ω
Req = R1 + 10,7 = 20 + 10,7 = 30,7 Ω
Відповідь
Req = 30,7 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,3602 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 7,059 Ω
R3 + 7,059 = 27,06 Ω
R2 ∥ 27,06 = 8,313 Ω
Req = R1 + 8,313 = 25 + 8,313 = 33,31 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/33,31 = 0,3602 A
Відповідь
IR1 = 0,3602 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I2 = −2,537 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
Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.
(VA − 9)/8 + (VA − (−18))/6 + (VA − 10)/12 = 0
Знайдіть VA
VA = (9/8 + (−18)/6 + 10/12) / (1/8 + 1/6 + 1/12) = −1,042/0,375 = −2,778 V
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 3,122 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
(24,5 − 24)/30 + 24,5/15 = (VB − 24,5)/3
1,65 = (VB − 24,5)/3 → VB = 29,45 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 = (29,45 − 24,5)/3 + 29,45/20 = 3,122 A
Відповідь
Is = 3,122 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −0,6923 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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 18
16·I1 − 10·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 16·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (16)(16) − (−10)(−10) = 156
I1 = Δ1/Δ = 108/156 = 0,6923 A
I2 = Δ2/Δ = −108/156 = −0,6923 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,6923 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −1,13 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 + 10(I1 − I2) = 24
40·I1 − 10·I2 = 24
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
12·I2 + 10(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 25·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
2·I3 + 3(I3 − I2) = (−6)
−3·I2 + 5·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4140
I1 = Δ1/Δ = 2604/4140 = 0,629 A
I2 = Δ2/Δ = 480/4140 = 0,1159 A
I3 = Δ3/Δ = −4680/4140 = −1,13 A
Відповідь
I3 = −1,13 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: Is = 0,3429 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.
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ ∥ R₂ з’єднує A із землею. Iₛ розгалужується у вузлі B між R₄ і шляхом R₃ + R₁∥R₂; частина через R₃ тече від B до A, проти стрілки.
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) = 4 ∥ 17 = 3,238 Ω
VA = 15·3,238/(8+3,238) = 4,322 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,322·12/17 = 3,051 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 4,322)/8 = 1,335 A
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 = 2,667 Ω, тож лівий шлях — R2+2,667 = 7,667 Ω
Req = R4 ∥ 7,667 = 4,678 Ω
VB = Is·Req = 1·4,678 = 4,678 V
VA = VB·2,667/7,667 = 1,627 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,627)/8 = −0,2034 A
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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·7,667/19,67 = −11,69 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −11,69·2,667/7,667 = −4,068 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR1 = IR1²·R1 = 1,64²·8 = 21,51 W
Відповідь
PR1 = 21,51 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 16,65 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 16,76 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 15 = 16,76 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,115 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 5 = 7 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) = 4 + 1,5·2 = 7 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7 + 1,5·5 = 14,5 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) = 14,5/(7 + 6) = 1,115 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 4,063 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.
Коефіцієнт підсилення
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/10 = 3,2
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3,2 = 4,063 V
Відповідь
Vin,max = 4,063 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,273 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 = 10 kΩ · 0,22 µF = 2,2 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −1,4/2,2 = −0,6364 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −1,4·2/2,2 = −1,273 V
Відповідь
Vout = −1,273 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,454 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 = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/100 = 0,05 A
Виразіть час
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,5·ln(0,1) = 3,454 ms
Відповідь
t = 3,454 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 8,091 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.