Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,1·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 15 V і Is = 1 mA I = 17,6 mA; при Vs = 12 V і Is = 3 mA I = 13,2 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 5 V і Is = 5 mA.
15 V, 1 mA → 17,6 mA12 V, 3 mA → 13,2 mAVs = 5 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 10 ms, у mJ.
Vs = 20 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 10 ms
W = mJ
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 = 20 ms.
Vs = 6 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 8 Vt = 20 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,607 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 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 8·16/(8+16) = 5,333 Ω
Req = R1 + 5,333 = 4 + 5,333 = 9,333 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/9,333 = 1,607 A
Відповідь
IR1 = 1,607 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 2,171 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 + 4 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 8 Ω
R3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 5,238 Ω
Req = R1 + 5,238 = 2 + 5,238 = 7,238 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/7,238 = 4,145 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 4,145·2 = 21,71 V
IR2 = VA/R2 = 21,71/10 = 2,171 A
Відповідь
IR2 = 2,171 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 21,84 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 = 30 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/15 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,3667·VA − 0,1·VB = 6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/10 = 1,5
−0,1·VA + 0,1833·VB = 1,5
Розв’яжіть
Δ = (0,3667)(0,1833) − (−0,1)(−0,1) = 0,05722
VA = Δ1/Δ = 1,25/0,05722 = 21,84 V
VB = Δ2/Δ = 1,15/0,05722 = 20,1 V
Відповідь
VA = 21,84 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 10,8 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.
ЗСК для вузла A
Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,2·VA − 0,1·VB = 1,2
ЗСК для вузла B
Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,1·VA
−0,2·VA + 0,225·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,2)(0,225) − (−0,1)(−0,2) = 0,025
VA = Δ1/Δ = 0,27/0,025 = 10,8 V
VB = Δ2/Δ = 0,24/0,025 = 9,6 V
Відповідь
VA = 10,8 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = 4,5 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
6·I1 + 12(I1 − I2) = 18
18·I1 − 12·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
12·I2 + 12(I2 − I1) = (−6)
−12·I1 + 24·I2 = −6
Розв’яжіть
Δ = (18)(24) − (−12)(−12) = 288
I1 = Δ1/Δ = 360/288 = 1,25 A
I2 = Δ2/Δ = 108/288 = 0,375 A
Відповідь
IR2 = I2 = 0,375 A
VR2 = IR2·R2 = 0,375·12 = 4,5 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −1,639 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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 18
14·I1 − 8·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
6·I2 + 8(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 29·I2 − 15·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
5·I3 + 15(I3 − I2) = (−24)
−15·I2 + 20·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 3690
I1 = Δ1/Δ = 3510/3690 = 0,9512 A
I2 = Δ2/Δ = −2160/3690 = −0,5854 A
I3 = Δ3/Δ = −6048/3690 = −1,639 A
Відповідь
I3 = −1,639 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 4 mA
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.
Запишіть відгук як суму внесків
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу з коефіцієнтом, що залежить лише від резисторів.
I = k₁·Vs + k₂·Is
15·k₁ + 1·k₂ = 17,6
12·k₁ + 3·k₂ = 13,2
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (15)(3) − (1)(12) = 33
k₁ = Δ1/Δ = 39,6/33 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −13,2/33 = −0,4
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = −0,4
Обчисліть новий струм
I = 1,2·5 + (−0,4)·5 = 4 mA
Відповідь
I = 4 mA
8.Метод накладання
Відповідь: VR2 = −7,097 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) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VA = 36·4,2/(2+4,2) = 24,39 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 24,39·4/14 = 6,968 V
VR2′ = VA − VB = 24,39 − 6,968 = 17,42 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 = 1,5 Ω, тож лівий шлях — R2+1,5 = 11,5 Ω
Req = R4 ∥ 11,5 = 2,968 Ω
VB = Is·Req = 0,5·2,968 = 1,484 V
VA = VB·1,5/11,5 = 0,1935 V
VR2″ = VA − VB = 0,1935 − 1,484 = −1,29 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·11,5/15,5 = 26,71 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 26,71·1,5/11,5 = 3,484 V
VR2‴ = VA − VB = 3,484 − 26,71 = −23,23 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 17,42 + (−1,29) + (−23,23) = −7,097 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,625 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 4 = 12,57 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) = 30·15/(20+15) = 12,86 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) = 12,86/(12,57 + 8) = 0,625 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 2,969 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 12 = 14,22 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) = 6,667 + 2,5·2,222 = 12,22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,22 + 2,5·12 = 42,22 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 = 42,22/14,22 = 2,969 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 23,5 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 = (6 − 1)·4,7 = 23,5 kΩ
Відповідь
Rf = 23,5 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,3745 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 = −0,8/10 = −0,08 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/4,7 = 0,04255 mA
If = I1 + I2 = −0,03745 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −10·(−0,03745) = 0,3745 V
Відповідь
Vout = 0,3745 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 79,92 mJ
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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A
Струм у заданий момент
i(t) = 2·(1 − e−10/10) = 1,264 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·100·1,264² = 79,92 mJ
Відповідь
W = 79,92 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 6,806 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.