Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
Is = 1 AVs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 10 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти вузлову напругу VA (відносно землі).
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 8.
R1 = 100 kΩAv = 8
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 2,9 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 0,5 ms.
Через котушку тече сталий струм 2 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
i(0) = 2 AR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 18 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 19,4 V? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 18 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,6957 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
Req = R1 + 9,375 = 5 + 9,375 = 14,38 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/14,38 = 0,6957 A
Відповідь
IR1 = 0,6957 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 10,95 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 = 12 + 6 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 8,182 Ω
R3 + 8,182 = 13,18 Ω
R2 ∥ 13,18 = 7,945 Ω
Req = R1 + 7,945 = 3 + 7,945 = 10,95 Ω
Відповідь
Req = 10,95 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 8 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 + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/10 + (VA + 6)/10 = 1
VA = (1 − 6/10)/(1/10 + 1/10) = 2 V
VB = 2 + 6 = 8 V
Відповідь
VB = 8 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 6,765 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 = 5 V, V2 = 18 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 − 5)/20 + (VA − VB)/10 = 0
0,19·VA − 0,1·VB = 0,25
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 − 18)/3 = (−1,5)
−0,1·VA + 0,5·VB = 4,5
Розв’яжіть
Δ = (0,19)(0,5) − (−0,1)(−0,1) = 0,085
VA = Δ1/Δ = 0,575/0,085 = 6,765 V
VB = Δ2/Δ = 0,88/0,085 = 10,35 V
Відповідь
VA = 6,765 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR1 = 18 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. 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
15·I1 + 4(I1 − I2) = 24
19·I1 − 4·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 + 4(I2 − I1) = (−9)
−4·I1 + 14·I2 = −9
Розв’яжіть
Δ = (19)(14) − (−4)(−4) = 250
I1 = Δ1/Δ = 300/250 = 1,2 A
I2 = Δ2/Δ = −75/250 = −0,3 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,2 A
VR1 = IR1·R1 = 1,2·15 = 18 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR4 = 1,171 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 18
18·I1 − 3·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
20·I2 + 3(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 28·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
6·I3 + 5(I3 − I2) = (−18)
−5·I2 + 11·I3 = −18
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4995
I1 = Δ1/Δ = 4824/4995 = 0,9658 A
I2 = Δ2/Δ = −1026/4995 = −0,2054 A
I3 = Δ3/Δ = −8640/4995 = −1,73 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 1,171 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR3 = −1,448 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: IR3 = 1,173 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) = 15 ∥ 40 = 10,91 Ω
VA = 12·10,91/(25+10,91) = 3,646 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,646·15/40 = 1,367 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,646 − 0)/15 = 0,243 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 = 9,375 Ω, тож лівий шлях — R2+9,375 = 34,38 Ω
Req = R4 ∥ 34,38 = 10,44 Ω
VB = Is·Req = 2,5·10,44 = 26,11 V
VA = VB·9,375/34,38 = 7,12 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (7,12 − 0)/15 = 0,4747 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 = 25·15/(25+15) = 9,375 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·34,38/49,38 = 25,06 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 25,06·9,375/34,38 = 6,835 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (6,835 − 0)/15 = 0,4557 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,243 + 0,4747 + 0,4557 = 1,173 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 18 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 12 = 15,75 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) = 24·15/(5+15) = 18 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 70,91 W
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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 30 = 31,71 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) = 6,429 + 3·1,714 = 11,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,57 + 3·30 = 101,6 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) = 101,6/(31,71 + 15) = 2,174 A
PL = IL²·RL = 2,174²·15 = 70,91 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 700 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (8 − 1)·100 = 700 kΩ
Відповідь
Rf = 700 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,45 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 · 0,1 µF = 1 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −2,9/1 = −2,9 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2,9·0,5/1 = −1,45 V
Відповідь
Vout = −1,45 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,4463 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.
Стала часу
τ = L/R = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
Спадання струму
i(t) = 2·e−1/0,6667 = 0,4463 A
Відповідь
i = 0,4463 A
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 39,73 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
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.