Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.
Is = 5 AVs = 8 VR1 = 8 ΩR2 = 8 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 2 kΩRf = 4,7 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 = −0,3 VV2 = 2 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 47 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 = 10 ms.
Vs = 6 VR = 10 ΩL = 47 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Через який час після t = 0 струм котушки досягне 0,405 A? Знайдіть t.
Vs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩL = 47 mH
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 11,5 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R1 + 1,5 = 10 + 1,5 = 11,5 Ω
Відповідь
Req = 11,5 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,2307 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 9,189 Ω
R3 + 9,189 = 24,19 Ω
R2 ∥ 24,19 = 6,012 Ω
Req = R1 + 6,012 = 20 + 6,012 = 26,01 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/26,01 = 0,2307 A
Відповідь
IR1 = 0,2307 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Ix = 3 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.
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 + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/8 + (VA + 8)/8 = 5
VA = (5 − 8/8)/(1/8 + 1/8) = 16 V
VB = 16 + 8 = 24 V
Струм через джерело напруги
Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.
Ix = VB/R2 = 24/8 = 3 A
Відповідь
Ix = 3 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = 0,2965 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 = 6 V, V2 = 36 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/5 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,45·VA − 0,125·VB = 0,75
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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 9
10·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 20·I2 = −24
Розв’яжіть
Δ = (10)(20) − (−5)(−5) = 175
I1 = Δ1/Δ = 60/175 = 0,3429 A
I2 = Δ2/Δ = −195/175 = −1,114 A
Відповідь
IR1 = I1 = 0,3429 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR5 = 3,862 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 10
18·I1 − 10·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
5·I2 + 10(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 27·I2 − 12·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
15·I3 + 12(I3 − I2) = (−6)
−12·I2 + 27·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 7830
I1 = Δ1/Δ = 5130/7830 = 0,6552 A
I2 = Δ2/Δ = 1404/7830 = 0,1793 A
I3 = Δ3/Δ = −1116/7830 = −0,1425 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 0,3218 A
VR5 = IR5·R5 = 0,3218·12 = 3,862 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR4 = 38,53 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+3 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·13/(5+13) = 3,611 Ω
VA = 12·3,611/(6+3,611) = 4,509 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,509·3/13 = 1,04 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,04 − 0)/3 = 0,3468 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) = 3 ∥ 12,73 = 2,428 Ω
VB = Is·Req = 4·2,428 = 9,711 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,711·2,727/12,73 = 2,081 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (9,711 − 0)/3 = 3,237 A
Додайте внески струму
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,3468 + 3,237 = 3,584 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 = 3,584²·3 = 38,53 W
Відповідь
PR4 = 38,53 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 31,8 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = 7,893 V
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) = 20 ∥ 26 = 11,3 Ω
VA = 6·11,3/(5+11,3) = 4,16 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,16·20/26 = 3,2 V
VR3′ = VA − 0 = 4,16 − 0 = 4,16 V
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 = 4 Ω, тож лівий шлях — R2+4 = 10 Ω
Req = R4 ∥ 10 = 6,667 Ω
VB = Is·Req = 0,5·6,667 = 3,333 V
VA = VB·4/10 = 1,333 V
VR3″ = VA − 0 = 1,333 − 0 = 1,333 V
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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·10/30 = 6 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6·4/10 = 2,4 V
VR3‴ = VA − 0 = 2,4 − 0 = 2,4 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 4,16 + 1,333 + 2,4 = 7,893 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 6,222 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 4 = 6,222 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 11 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 2 = 3,6 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 + 2,5·1,6 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + 2,5·2 = 11 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 5,532 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| = Rf/R1 = 4,7/2 = 2,35
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/2,35 = 5,532 V
Відповідь
Vin,max = 5,532 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −5,9 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 = −0,3/1 = −0,3 mA
I2 = V2/R2 = 2/4,7 = 0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,1255 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −47·0,1255 = −5,9 V
Відповідь
Vout = −5,9 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 0,7147 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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 6/10 = 0,6 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 = 6·e−10/4,7 = 0,7147 V
Відповідь
vL = 0,7147 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1,303 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.