Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
V1 = 6 VIs = 3 AVs = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.
V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
VR2 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR4 на R4 з указаною полярністю.
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 0,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = −5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −15,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 0,5 mA2·V1: I = −5 mA−Is: I = −15,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 31.
R1 = 22 kΩAv = 31
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 80% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 150 ms.
Vs = 10 VR1 = 10 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µFt = 150 ms
i2 = mA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,282 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Req = R1 + 2,5 = 4 + 2,5 = 6,5 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/6,5 = 1,538 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,538·4 = 3,846 V
IR2 = VA/R2 = 3,846/3 = 1,282 A
Відповідь
IR2 = 1,282 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,3061 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 = 6 + 10 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 5,333 Ω
R3 + 5,333 = 13,33 Ω
R2 ∥ 13,33 = 6,316 Ω
Req = R1 + 6,316 = 4 + 6,316 = 10,32 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/10,32 = 0,5816 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,5816·4 = 3,673 V
IR2 = VA/R2 = 3,673/12 = 0,3061 A
Відповідь
IR2 = 0,3061 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 110,7 W
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 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 − 30)/8 + (VA − VB)/10 = 0
0,425·VA − 0,1·VB = 3,75
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/10 + (VB − VA)/10 = 4
−0,1·VA + 0,2·VB = 4
Розв’яжіть
Δ = (0,425)(0,2) − (−0,1)(−0,1) = 0,075
VA = Δ1/Δ = 1,15/0,075 = 15,33 V
VB = Δ2/Δ = 2,075/0,075 = 27,67 V
Потужність, яку віддає джерело струму
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 27,67·4 = 110,7 W
Відповідь
PIs = 110,7 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 2,105 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 + 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 6)/3 + VA/8 + (VA + 10)/3 = 3
VA·(1/3 + 1/8 + 1/3) = 3 + 6/3 − 10/3 = 1,667
VA = 1,667/0,7917 = 2,105 V
VB = 12,11 V
Відповідь
VA = 2,105 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = −7,574 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
20·I1 + 3(I1 − I2) = 15
23·I1 − 3·I2 = 15
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
8·I2 + 3(I2 − I1) = (−12)
−3·I1 + 11·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (23)(11) − (−3)(−3) = 244
I1 = Δ1/Δ = 129/244 = 0,5287 A
I2 = Δ2/Δ = −231/244 = −0,9467 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,9467 A
VR2 = IR2·R2 = −0,9467·8 = −7,574 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR4 = 10,13 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 18
9·I1 − 6·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
3·I2 + 6(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 15·I2 − 6·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
6·I3 + 6(I3 − I2) = (−9)
−6·I2 + 12·I3 = −9
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 864
I1 = Δ1/Δ = 2268/864 = 2,625 A
I2 = Δ2/Δ = 810/864 = 0,9375 A
I3 = Δ3/Δ = −243/864 = −0,2813 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 1,688 A
VR4 = IR4·R4 = 1,688·6 = 10,13 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR1 = 31,15 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 = 3+2 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
VA = 18·3,75/(3+3,75) = 10 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10·2/5 = 4 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 10)/3 = 2,667 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R2 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 5,5 = 1,467 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·1,467 = −3,667 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −3,667·2,5/5,5 = −1,667 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −1,667)/3 = 0,5556 A
Додайте внески струму
IR1 = IR1′ + IR1″ = 2,667 + 0,5556 = 3,222 A
Потужність у резисторі
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR1 = IR1²·R1 = 3,222²·3 = 31,15 W
Відповідь
PR1 = 31,15 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 22,26 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: I = 2,5 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 = 0,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = −5
I₁ + I₂ − I₃ = −15,5
Знайдіть внески
I₁ = −5 − 0,5 = −5,5 mA
I₃ = (0,5 − (−15,5))/2 = 8 mA
I₂ = 0,5 − (−5,5) − 8 = −2 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = (−5,5) + 8 = 2,5 mA
Відповідь
I = 2,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 7,714 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 6 = 7,714 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 113,7 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 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) = 3,75 + 4·7,5 = 33,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,75 + 4·20 = 113,7 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 660 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 = (31 − 1)·22 = 660 kΩ
Відповідь
Rf = 660 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = −0,05397 mA
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 = −0,4/47 = −0,008511 mA
I2 = V2/R2 = −1/22 = −0,04545 mA
If = I1 + I2 = −0,05397 mA
Відповідь
If = −0,05397 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1,073 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 = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A
Виразіть час
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,6667·ln(0,2) = 1,073 ms
Відповідь
t = 1,073 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i2 = 0,2528 mA
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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.