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).
Is = 3 AVs = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 12 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
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 = 1 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
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. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 10 ms.
Vs = 5 VR = 20 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 12 V, рівно через 250 ms після старту. При R = 100 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 15 VVth = 12 VT = 250 msR = 100 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,7407 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R1 + 1,5 = 12 + 1,5 = 13,5 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/13,5 = 0,7407 A
Відповідь
IR1 = 0,7407 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,581 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 = 20 + 25 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 8,182 Ω
R3 + 8,182 = 12,18 Ω
R2 ∥ 12,18 = 5,492 Ω
Req = R1 + 5,492 = 10 + 5,492 = 15,49 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/15,49 = 0,581 A
Відповідь
IR1 = 0,581 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 13,5 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 + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/12 + (VA + 9)/12 = 3
VA = (3 − 9/12)/(1/12 + 1/12) = 13,5 V
VB = 13,5 + 9 = 22,5 V
Відповідь
VA = 13,5 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = −0,9753 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 = 10 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/25 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/10 = 0
0,24·VA − 0,1·VB = 1
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/15 + (VB − VA)/10 + (VB − 30)/10 = 5
−0,1·VA + 0,2667·VB = 8
Розв’яжіть
Δ = (0,24)(0,2667) − (−0,1)(−0,1) = 0,054
VA = Δ1/Δ = 1,067/0,054 = 19,75 V
VB = Δ2/Δ = 2,02/0,054 = 37,41 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 19,75)/10 = −0,9753 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 1,012 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 18
17·I1 − 5·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
20·I2 + 5(I2 − I1) = (−9)
−5·I1 + 25·I2 = −9
Розв’яжіть
Δ = (17)(25) − (−5)(−5) = 400
I1 = Δ1/Δ = 405/400 = 1,012 A
I2 = Δ2/Δ = −63/400 = −0,1575 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,012 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR3 = −3,517 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
10·I1 + 20(I1 − I2) = 10
30·I1 − 20·I2 = 10
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
15·I2 + 20(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 43·I2 − 8·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
30·I3 + 8(I3 − I2) = (−6)
−8·I2 + 38·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 31900
I1 = Δ1/Δ = 14740/31900 = 0,4621 A
I2 = Δ2/Δ = 6160/31900 = 0,1931 A
I3 = Δ3/Δ = −3740/31900 = −0,1172 A
Відповідь
IR3 = I3 = −0,1172 A
VR3 = IR3·R3 = −0,1172·30 = −3,517 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR3 = −0,6325 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.
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: IR4 = −1,507 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) = 8 ∥ 35 = 6,512 Ω
VA = 30·6,512/(30+6,512) = 5,35 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,35·30/35 = 4,586 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (4,586 − 0)/30 = 0,1529 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 = 6,316 Ω, тож лівий шлях — R2+6,316 = 11,32 Ω
Req = R4 ∥ 11,32 = 8,217 Ω
VB = Is·Req = (−5)·8,217 = −41,08 V
VA = VB·6,316/11,32 = −22,93 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−41,08 − 0)/30 = −1,369 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·11,32/41,32 = 3,287 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,287·6,316/11,32 = 1,834 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3,287 − 12)/30 = −0,2904 A
Додайте складові
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1529 + (−1,369) + (−0,2904) = −1,507 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 5,143 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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 2 = 3,714 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) = 6·12/(2+12) = 5,143 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 2,778 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 30 = 33,75 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) = 9,375 + 2,5·3,75 = 18,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,75 + 2,5·30 = 93,75 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 = 93,75/33,75 = 2,778 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 0,2708 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 + 47/1 = 48
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/48 = 0,2708 V
Відповідь
Vin,max = 0,2708 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = 0,2362 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 = −0,3/4,7 = −0,06383 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/1 = 0,3 mA
If = I1 + I2 = 0,2362 mA
Відповідь
If = 0,2362 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 1,318 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 = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 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 = 5·e−10/7,5 = 1,318 V
Відповідь
vL = 1,318 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 1,553 µF
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.