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 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 6 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 = 4 V і Is = 8 mA I = 7,6 mA; при Vs = 12 V і Is = 3 mA I = 7,05 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 6 V і Is = 4 mA.
4 V, 8 mA → 7,6 mA12 V, 3 mA → 7,05 mAVs = 6 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 35,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 47 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 11,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 35,5 mA2·V1: I = 47 mA−Is: I = 11,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 2 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 5 ms, у mJ.
Vs = 10 VR = 15 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 18,6 V? Знайдіть t.
Vs = 15 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,4167 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 = 2 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 20 + 4 = 24 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/24 = 0,4167 A
Відповідь
IR1 = 0,4167 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 2,368 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 = 3 + 10 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 4,105 Ω
R3 + 4,105 = 16,11 Ω
R2 ∥ 16,11 = 3,204 Ω
Req = R1 + 3,204 = 12 + 3,204 = 15,2 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/15,2 = 2,368 A
Відповідь
IR1 = 2,368 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 13,67 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 + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/12 + (VA + 5)/6 = 3
VA = (3 − 5/6)/(1/12 + 1/6) = 8,667 V
VB = 8,667 + 5 = 13,67 V
Відповідь
VB = 13,67 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 2,226 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 = 24 V, V2 = 30 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/6 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/6 = 0
0,6667·VA − 0,1667·VB = 8
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/10 + (VB − VA)/6 + (VB − 30)/30 = 2,5
−0,1667·VA + 0,3·VB = 3,5
Розв’яжіть
Δ = (0,6667)(0,3) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1722
VA = Δ1/Δ = 2,983/0,1722 = 17,32 V
VB = Δ2/Δ = 3,667/0,1722 = 21,29 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 17,32)/3 = 2,226 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = −5,684 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
15·I1 + 15(I1 − I2) = 6
30·I1 − 15·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 + 15(I2 − I1) = (−30)
−15·I1 + 17·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (30)(17) − (−15)(−15) = 285
I1 = Δ1/Δ = −348/285 = −1,221 A
I2 = Δ2/Δ = −810/285 = −2,842 A
Відповідь
IR2 = I2 = −2,842 A
VR2 = IR2·R2 = −2,842·2 = −5,684 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR3 = −8,418 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, 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
5·I1 + 4(I1 − I2) = 30
9·I1 − 4·I2 = 30
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 + 4(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 44·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
10·I3 + 10(I3 − I2) = (−18)
−10·I2 + 20·I3 = −18
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 6700
I1 = Δ1/Δ = 22680/6700 = 3,385 A
I2 = Δ2/Δ = 780/6700 = 0,1164 A
I3 = Δ3/Δ = −5640/6700 = −0,8418 A
Відповідь
IR3 = I3 = −0,8418 A
VR3 = IR3·R3 = −0,8418·10 = −8,418 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 5,4 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 відгук як суму внесків
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу з коефіцієнтом, що залежить лише від резисторів.
I = k₁·Vs + k₂·Is
4·k₁ + 8·k₂ = 7,6
12·k₁ + 3·k₂ = 7,05
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (4)(3) − (8)(12) = −84
k₁ = Δ1/Δ = −33,6/−84 = 0,4
k₂ = Δ2/Δ = −63/−84 = 0,75
k₁ = 0,4 mA/V, k₂ = 0,75
Обчисліть новий струм
I = 0,4·6 + 0,75·4 = 5,4 mA
Відповідь
I = 5,4 mA
8.Метод накладання
Відповідь: I = 23,5 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 = 35,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 47
I₁ + I₂ − I₃ = 11,5
Знайдіть внески
I₁ = 47 − 35,5 = 11,5 mA
I₃ = (35,5 − 11,5)/2 = 12 mA
I₂ = 35,5 − 11,5 − 12 = 12 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 11,5 + 12 = 23,5 mA
Відповідь
I = 23,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,5 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 6 = 10,29 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) = 30·15/(6+15) = 21,43 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) = 21,43/(10,29 + 4) = 1,5 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 2,631 W
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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 6 = 9,333 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) = 15 + (−3)·3,333 = 5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5 + (−3)·6 = −13 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) = −13/(9,333 + 2) = −1,147 A
PL = IL²·RL = −1,147²·2 = 2,631 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,2 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₊ = −0,1 V
I = V₋/R1 = −0,1/100 = −0,001 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,1 + (−0,001)·100 = −0,2 V
Відповідь
Vout = −0,2 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,2944 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.
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 = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,6667·(1 − e−5/4,533) = 0,4454 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·68·0,4454² = 6,745 mJ
Відповідь
W = 6,745 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 137,1 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.