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.
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 6 V і Is = 3 mA I = 2,7 mA; при Vs = 20 V і Is = 1 mA I = 5,4 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 15 V і Is = 2 mA.
6 V, 3 mA → 2,7 mA20 V, 1 mA → 5,4 mAVs = 15 V, Is = 2 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 0,9 VV2 = −0,9 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 24 VR = 15 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 80 ms.
Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩC = 68 µFt = 80 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,548 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 6·32/(6+32) = 5,053 Ω
Req = R1 + 5,053 = 8 + 5,053 = 13,05 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/13,05 = 1,839 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,839·8 = 9,29 V
IR2 = VA/R2 = 9,29/6 = 1,548 A
Відповідь
IR2 = 1,548 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,645 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 28,11 Ω
R2 ∥ 28,11 = 4,945 Ω
Req = R1 + 4,945 = 6 + 4,945 = 10,94 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/10,94 = 1,645 A
Відповідь
IR1 = 1,645 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I1 = 1,394 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 − 30)/15 + (VA − (−6))/10 + (VA − 10)/8 = 0
Знайдіть VA
VA = (30/15 + (−6)/10 + 10/8) / (1/15 + 1/10 + 1/8) = 2,65/0,2917 = 9,086 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I1 = (30 − VA)/R1 = (30 − 9,086)/15 = 1,394 A
Відповідь
I1 = 1,394 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 9,282 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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 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/10 + (VA − 15)/8 + (VA − VB)/30 = 0
0,2583·VA − 0,03333·VB = 1,875
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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 18
16·I1 − 4·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 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 10·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (16)(10) − (−4)(−4) = 144
I1 = Δ1/Δ = 140/144 = 0,9722 A
I2 = Δ2/Δ = −88/144 = −0,6111 A
Відповідь
I1 = 0,9722 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −4,194 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
2·I1 + 6(I1 − I2) = 24
8·I1 − 6·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
2·I2 + 6(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 13·I2 − 5·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
4·I3 + 5(I3 − I2) = (−36)
−5·I2 + 9·I3 = −36
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 412
I1 = Δ1/Δ = 1128/412 = 2,738 A
I2 = Δ2/Δ = −144/412 = −0,3495 A
I3 = Δ3/Δ = −1728/412 = −4,194 A
Відповідь
I3 = −4,194 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 4,55 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
6·k₁ + 3·k₂ = 2,7
20·k₁ + 1·k₂ = 5,4
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (6)(1) − (3)(20) = −54
k₁ = Δ1/Δ = −13,5/−54 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = −21,6/−54 = 0,4
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = 0,4
Обчисліть новий струм
I = 0,25·15 + 0,4·2 = 4,55 mA
Відповідь
I = 4,55 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR3 = 0,4007 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) = 4 ∥ 13 = 3,059 Ω
VA = 6·3,059/(15+3,059) = 1,016 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,016·3/13 = 0,2345 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,016 − 0)/4 = 0,2541 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 = 3,158 Ω, тож лівий шлях — R2+3,158 = 13,16 Ω
Req = R4 ∥ 13,16 = 2,443 Ω
VB = Is·Req = (−1)·2,443 = −2,443 V
VA = VB·3,158/13,16 = −0,5863 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−0,5863 − 0)/4 = −0,1466 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·13,16/16,16 = 4,886 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,886·3,158/13,16 = 1,173 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,173 − 0)/4 = 0,2932 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,2541 + (−0,1466) + 0,2932 = 0,4007 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,1667 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 6 = 7,714 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) = 9·2/(12+2) = 1,286 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 = 1,286/7,714 = 0,1667 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 3,364 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 12 = 17,22 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) = 6,261 + 3·5,217 = 21,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,91 + 3·12 = 57,91 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 = 57,91/17,22 = 3,364 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 1,833 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.
Напруга на входах
Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = 0,9/2 = 0,45 mA
I2 = V2/R2 = −0,9/1 = −0,9 mA
If = I1 + I2 = −0,45 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −10·(−0,45) = 4,5 V
Відповідь
Vout = 4,5 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 12,14 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.
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 / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 24/15 = 1,6 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−1/1,467 = 12,14 V
Відповідь
vL = 12,14 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 19,26 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.
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.