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 = 10 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 1,1 VV2 = −2 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 2 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 = 15 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 500 ms.
Vs = 9 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 Vt = 500 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 9,667 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.
R3 + R4 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 3 + 6,667 = 9,667 Ω
Відповідь
Req = 9,667 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 16,27 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 = 6 + 6 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 4,8 Ω
R3 + 4,8 = 14,8 Ω
R2 ∥ 14,8 = 4,269 Ω
Req = R1 + 4,269 = 12 + 4,269 = 16,27 Ω
Відповідь
Req = 16,27 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR3 = −0,9687 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 = 9 V). Невідомі: VA, VB.
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/3 + (VA − 9)/2 + (VA − VB)/6 = 0
VA − 0,1667·VB = 4,5
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(8,5 − 5)/2 + 8,5/5 = (VB − 8,5)/6
3,45 = (VB − 8,5)/6 → VB = 29,2 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (29,2 − 8,5)/6 + 29,2/15 = 5,397 A
Відповідь
Is = 5,397 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 2,259 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
8·I1 + 5(I1 − I2) = 24
13·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 5(I2 − I1) = (−18)
−5·I1 + 15·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (13)(15) − (−5)(−5) = 170
I1 = Δ1/Δ = 270/170 = 1,588 A
I2 = Δ2/Δ = −114/170 = −0,6706 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 2,259 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = 0,6196 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
3·I1 + 30(I1 − I2) = 18
33·I1 − 30·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
2·I2 + 30(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 52·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 50·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 27600
I1 = Δ1/Δ = 30600/27600 = 1,109 A
I2 = Δ2/Δ = 17100/27600 = 0,6196 A
I3 = Δ3/Δ = −1440/27600 = −0,05217 A
Відповідь
IR2 = I2 = 0,6196 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR1 = 31,19 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 = 8+12 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VA = 30·4/(6+4) = 12 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12·12/20 = 7,2 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 12)/6 = 3 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.
R1 ∥ R2 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 10,73 = 5,664 Ω
VB = Is·Req = 3·5,664 = 16,99 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 16,99·2,727/10,73 = 4,32 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4,32)/6 = −0,72 A
Додайте внески струму
IR1 = IR1′ + IR1″ = 3 + (−0,72) = 2,28 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 = 2,28²·6 = 31,19 W
Відповідь
PR1 = 31,19 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 57,11 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: PR4 = 82,95 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
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 4 ∥ 27 = 3,484 Ω
VA = 18·3,484/(20+3,484) = 2,67 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,67·15/27 = 1,484 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,484 − 0)/15 = 0,0989 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R3 = 3,333 Ω, тож лівий шлях — R2+3,333 = 15,33 Ω
Req = R4 ∥ 15,33 = 7,582 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·7,582 = −18,96 V
VA = VB·3,333/15,33 = −4,121 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−18,96 − 0)/15 = −1,264 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·15,33/30,33 = 18,2 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 18,2·3,333/15,33 = 3,956 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = (−2,352)²·15 = 82,95 W
Відповідь
PR4 = 82,95 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 45,23 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,2812 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 2 = 3,818 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) = 18·2/(20+2) = 1,636 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) = 1,636/(3,818 + 2) = 0,2812 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = −1,363 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 15 = 16,6 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) = 2,4 + (−2)·1,6 = −0,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8 + (−2)·15 = −30,8 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) = −30,8/(16,6 + 6) = −1,363 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 2,281 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| = 13/5,7 = 2,281 V
Відповідь
Vin,max = 2,281 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,349 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 = 1,1/1 = 1,1 mA
I2 = V2/R2 = −2/4,7 = −0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,6745 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −2·0,6745 = −1,349 V
Відповідь
Vout = −1,349 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 3,61 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 = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0,3191 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 = 15·e−1/0,7021 = 3,61 V
Відповідь
vL = 3,61 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 8,521 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.