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.
Знайдіть значення джерела струму Is (напрямок як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.
V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 15 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 17,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 9 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 15 mA2·V1: I = 17,5 mA−Is: I = 9 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.
V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 5 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 0,1 VV2 = 1,4 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 1 ms, у mJ.
Vs = 24 VR = 10 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 5 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 500 ms.
Vs = 10 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 5 Vt = 500 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 10,67 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 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 4 + 6,667 = 10,67 Ω
Відповідь
Req = 10,67 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,5293 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 4,444 Ω
R3 + 4,444 = 24,44 Ω
R2 ∥ 24,44 = 2,672 Ω
Req = R1 + 2,672 = 20 + 2,672 = 22,67 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/22,67 = 0,5293 A
Відповідь
IR1 = 0,5293 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I3 = 1,579 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 − 12)/10 + (VA − 15)/5 + (VA − 24)/3 = 0
Знайдіть VA
VA = (12/10 + 15/5 + 24/3) / (1/10 + 1/5 + 1/3) = 12,2/0,6333 = 19,26 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I3 = (24 − VA)/R3 = (24 − 19,26)/3 = 1,579 A
Відповідь
I3 = 1,579 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 0,8196 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, V2 = −15 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/2 + (VA − 9)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,65·VA − 0,06667·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
10·I1 + 20(I1 − I2) = 9
30·I1 − 20·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
3·I2 + 20(I2 − I1) = (−12)
−20·I1 + 23·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (30)(23) − (−20)(−20) = 290
I1 = Δ1/Δ = −33/290 = −0,1138 A
I2 = Δ2/Δ = −180/290 = −0,6207 A
Відповідь
I2 = −0,6207 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 2,069 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 + 2(I1 − I2) = 10
5·I1 − 2·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
15·I2 + 2(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 19·I2 − 2·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
25·I3 + 2(I3 − I2) = (−12)
−2·I2 + 27·I3 = −12
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2437
I1 = Δ1/Δ = 5042/2437 = 2,069 A
I2 = Δ2/Δ = 420/2437 = 0,1723 A
I3 = Δ3/Δ = −1052/2437 = −0,4317 A
Відповідь
IR1 = I1 = 2,069 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: Is = 0,75 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.
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ ∥ R₂ з’єднує A із землею. Iₛ розгалужується у вузлі B між R₄ і шляхом R₃ + R₁∥R₂; частина через R₃ тече від B до A, проти стрілки.
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 вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 15
2·I₁ + I₂ + I₃ = 17,5
I₁ + I₂ − I₃ = 9
Знайдіть внески
I₁ = 17,5 − 15 = 2,5 mA
I₃ = (15 − 9)/2 = 3 mA
I₂ = 15 − 2,5 − 3 = 9,5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 2,5 + 3 = 5,5 mA
Відповідь
I = 5,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 3,6 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 2 = 3,6 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = −1,236 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 10 = 13,33 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 + (−2)·3,333 = −2,667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2,667 + (−2)·10 = −22,67 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) = −22,67/(13,33 + 5) = −1,236 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 5,17 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.
Напруга на входах
Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = 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 = 0,1/1 = 0,1 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/22 = 0,06364 mA
If = I1 + I2 = 0,1636 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −10·0,1636 = −1,636 V
Відповідь
Vout = −1,636 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 11,51 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 = 10 mH / 10 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A
Струм у заданий момент
i(t) = 2,4·(1 − e−1/1) = 1,517 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·10·1,517² = 11,51 mJ
Відповідь
W = 11,51 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 8,901 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.