Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I3 у вітці 3, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
V1 = 24 VR1 = 2 ΩV2 = 24 VR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
I3 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
V1 = 5 VIs = 4 AVs = 8 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR3 на R3 з указаною полярністю.
Через котушку тече сталий струм 3 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 = 20 ms.
i(0) = 3 AR = 10 ΩL = 68 mHt = 20 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 1 ms.
Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 2,16 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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 5 + 8,889 = 13,89 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/13,89 = 2,16 A
Відповідь
IR1 = 2,16 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,6602 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 8,571 Ω
R3 + 8,571 = 14,57 Ω
R2 ∥ 14,57 = 7,391 Ω
Req = R1 + 7,391 = 15 + 7,391 = 22,39 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/22,39 = 1,34 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,34·15 = 9,903 V
IR2 = VA/R2 = 9,903/15 = 0,6602 A
Відповідь
IR2 = 0,6602 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I3 = −4,8 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 − 24)/2 + (VA − 24)/2 + VA/4 = 0
Знайдіть VA
VA = (24/2 + 24/2 + 0/4) / (1/2 + 1/2 + 1/4) = 24/1,25 = 19,2 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 19,2)/4 = −4,8 A
Відповідь
I3 = −4,8 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = −1,592 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 − 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 5)/4 + VA/5 + (VA − 8)/25 = 4
VA·(1/4 + 1/5 + 1/25) = 4 + 5/4 + 8/25 = 5,57
VA = 5,57/0,49 = 11,37 V
VB = 3,367 V
Струм через R₁
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 11,37)/4 = −1,592 A
Відповідь
IR1 = −1,592 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 0,3 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
20·I1 + 5(I1 − I2) = 10
25·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 5(I2 − I1) = (−9)
−5·I1 + 15·I2 = −9
Розв’яжіть
Δ = (25)(15) − (−5)(−5) = 350
I1 = Δ1/Δ = 105/350 = 0,3 A
I2 = Δ2/Δ = −175/350 = −0,5 A
Відповідь
IR1 = I1 = 0,3 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR3 = −5,224 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
4·I1 + 25(I1 − I2) = 18
29·I1 − 25·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
15·I2 + 25(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 52·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
3·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 15·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 9069
I1 = Δ1/Δ = 4248/9069 = 0,4684 A
I2 = Δ2/Δ = −1602/9069 = −0,1766 A
I3 = Δ3/Δ = −15792/9069 = −1,741 A
Відповідь
IR3 = I3 = −1,741 A
VR3 = IR3·R3 = −1,741·3 = −5,224 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR3 = 1,907 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: PR4 = 36,05 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) = 20 ∥ 42 = 13,55 Ω
VA = 6·13,55/(20+13,55) = 2,423 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,423·30/42 = 1,731 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,731 − 0)/30 = 0,05769 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 = 10 Ω, тож лівий шлях — R2+10 = 22 Ω
Req = R4 ∥ 22 = 12,69 Ω
VB = −Is·Req = −3·12,69 = −38,08 V
VA = VB·10/22 = −17,31 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−38,08 − 0)/30 = −1,269 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·22/52 = −2,538 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,538·10/22 = −1,154 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = (−1,096)²·30 = 36,05 W
Відповідь
PR4 = 36,05 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 48,83 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,08 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 + 5 = 6,818 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) = 6·2/(20+2) = 0,5455 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 = 0,5455/6,818 = 0,08 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 5,091 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 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) = 4 + 6·6 = 40 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 40 + 6·12 = 112 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) = 112/(18 + 4) = 5,091 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −2,459 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.
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 = 0,9/22 = 0,04091 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/47 = 0,01489 mA
If = I1 + I2 = 0,0558 mA
Відповідь
If = 0,0558 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,1584 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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
Спадання струму
i(t) = 3·e−20/6,8 = 0,1584 A
Відповідь
i = 0,1584 A
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,1615 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.