Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I1 у вітці 1, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,4·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
До a–b підключено навантаження RL = 10 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 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 = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = −0,8 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 10 ms.
Через котушку тече сталий струм 1 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,2 A? Знайдіть t.
i(0) = 1 AR = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
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 = 5 ms.
Vs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,728 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 12·23/(12+23) = 7,886 Ω
Req = R1 + 7,886 = 6 + 7,886 = 13,89 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/13,89 = 1,728 A
Відповідь
IR1 = 1,728 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 11,88 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.
R5 + R6 = 30 + 3 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 14,22 Ω
R3 + 14,22 = 34,22 Ω
R2 ∥ 34,22 = 8,885 Ω
Req = R1 + 8,885 = 3 + 8,885 = 11,88 Ω
Відповідь
Req = 11,88 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I1 = 0,5625 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 − 12)/2 + (VA − 6)/5 + (VA − 15)/10 = 0
Знайдіть VA
VA = (12/2 + 6/5 + 15/10) / (1/2 + 1/5 + 1/10) = 8,7/0,8 = 10,88 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I1 = (12 − VA)/R1 = (12 − 10,88)/2 = 0,5625 A
Відповідь
I1 = 0,5625 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 7,895 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.
ЗСК для вузла A
Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3·VA − 0,03333·VB = 1
ЗСК для вузла B
Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.
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 + 12(I1 − I2) = 18
15·I1 − 12·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
2·I2 + 12(I2 − I1) = (−6)
−12·I1 + 14·I2 = −6
Розв’яжіть
Δ = (15)(14) − (−12)(−12) = 66
I1 = Δ1/Δ = 180/66 = 2,727 A
I2 = Δ2/Δ = 126/66 = 1,909 A
Відповідь
I1 = 2,727 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR5 = 11,43 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
25·I1 + 15(I1 − I2) = 9
40·I1 − 15·I2 = 9
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 + 15(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 30·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) = (−24)
−3·I2 + 6·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 5490
I1 = Δ1/Δ = 459/5490 = 0,08361 A
I2 = Δ2/Δ = −2070/5490 = −0,377 A
I3 = Δ3/Δ = −22995/5490 = −4,189 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 3,811 A
VR5 = IR5·R5 = 3,811·3 = 11,43 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR4 = 5 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 = 10+20 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
VA = 10·6,316/(10+6,316) = 3,871 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,871·20/30 = 2,581 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,581 − 0)/20 = 0,129 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 14,44 = 8,387 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·8,387 = −12,58 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −12,58·4,444/14,44 = −3,871 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−12,58 − 0)/20 = −0,629 A
Додайте внески струму
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,129 + (−0,629) = −0,5 A
Потужність у резисторі
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = (−0,5)²·20 = 5 W
Відповідь
PR4 = 5 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 8,247 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: IR3 = −0,729 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
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 3 ∥ 7 = 2,1 Ω
VA = 18·2,1/(30+2,1) = 1,178 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,178·2/7 = 0,3364 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,178 − 0)/3 = 0,3925 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 = 2,727 Ω, тож лівий шлях — R2+2,727 = 7,727 Ω
Req = R4 ∥ 7,727 = 1,589 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·1,589 = −2,383 V
VA = VB·2,727/7,727 = −0,8411 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−0,8411 − 0)/3 = −0,2804 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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·7,727/9,727 = −7,15 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,15·2,727/7,727 = −2,523 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−2,523 − 0)/3 = −0,8411 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,3925 + (−0,2804) + (−0,8411) = −0,729 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,4348 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 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) = 10·10/(5+10) = 6,667 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) = 6,667/(5,333 + 10) = 0,4348 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 50,91 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 = 30·25/(30+25) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 4 = 17,64 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) = 6,818 + 2,5·13,64 = 40,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 40,91 + 2,5·4 = 50,91 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 2,105 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 + 47/10 = 5,7
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/5,7 = 2,105 V
Відповідь
Vin,max = 2,105 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 1,702 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 · 0,47 µF = 4,7 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−0,8)/4,7 = 0,1702 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,8)·10/4,7 = 1,702 V
Відповідь
Vout = 1,702 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1,77 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
τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms
Виразіть час
0,2 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,2)
t = 1,1·ln(5) = 1,77 ms
Відповідь
t = 1,77 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,4062 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.