Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Is = 3 AVs = 5 VR1 = 15 ΩR2 = 2 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 11,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 12 V і Is = 3 mA I = 12,75 mA; при Vs = 5 V і Is = 10 mA I = 7,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 20 V і Is = 6 mA.
12 V, 3 mA → 12,75 mA5 V, 10 mA → 7,5 mAVs = 20 V, Is = 6 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Знайдіть значення джерела напруги V2 (полярність як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 10 kΩRf = 22 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = −2,9 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 2 ms.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 24 VR = 15 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 4 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 750 ms.
Vs = 10 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 4 Vt = 750 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,4 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 = 8 + 8 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 12·16/(12+16) = 6,857 Ω
Req = R1 + 6,857 = 6 + 6,857 = 12,86 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/12,86 = 0,7 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,7·6 = 4,8 V
IR2 = VA/R2 = 4,8/12 = 0,4 A
Відповідь
IR2 = 0,4 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 14,75 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 + 30 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 5,25 Ω
R3 + 5,25 = 9,25 Ω
R2 ∥ 9,25 = 6,752 Ω
Req = R1 + 6,752 = 8 + 6,752 = 14,75 Ω
Відповідь
Req = 14,75 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 0,8824 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 + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/15 + (VA + 5)/2 = 3
VA = (3 − 5/2)/(1/15 + 1/2) = 0,8824 V
VB = 0,8824 + 5 = 5,882 V
Відповідь
VA = 0,8824 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 1,42 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
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(11,5 − 12)/12 + 11,5/20 = (VB − 11,5)/20
0,5333 = (VB − 11,5)/20 → VB = 22,17 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (22,17 − 11,5)/20 + 22,17/25 = 1,42 A
Відповідь
Is = 1,42 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −1,378 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
5·I1 + 3(I1 − I2) = 18
8·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 18·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (8)(18) − (−3)(−3) = 135
I1 = Δ1/Δ = 234/135 = 1,733 A
I2 = Δ2/Δ = −186/135 = −1,378 A
Відповідь
I2 = −1,378 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = 0,3106 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
10·I1 + 12(I1 − I2) = 30
22·I1 − 12·I2 = 30
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
30·I2 + 12(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 48·I2 − 6·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
8·I3 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 14·I3 = −10
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 11976
I1 = Δ1/Δ = 18360/11976 = 1,533 A
I2 = Δ2/Δ = 3720/11976 = 0,3106 A
I3 = Δ3/Δ = −6960/11976 = −0,5812 A
Відповідь
I2 = 0,3106 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 21,5 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
12·k₁ + 3·k₂ = 12,75
5·k₁ + 10·k₂ = 7,5
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (12)(10) − (3)(5) = 105
k₁ = Δ1/Δ = 105/105 = 1
k₂ = Δ2/Δ = 26,25/105 = 0,25
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,25
Обчисліть новий струм
I = 1·20 + 0,25·6 = 21,5 mA
Відповідь
I = 21,5 mA
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 5,75 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) = 4 ∥ 27 = 3,484 Ω
VA = 5·3,484/(20+3,484) = 0,7418 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,7418·25/27 = 0,6868 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R3 = 3,333 Ω, тож лівий шлях — R2+3,333 = 5,333 Ω
Req = R4 ∥ 5,333 = 4,396 Ω
VB = −Is·Req = −0,5·4,396 = −2,198 V
VA = VB·3,333/5,333 = −1,374 V
Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 3,333 Ω
VA‴ = V2·3,333/(25 + 2 + 3,333) = 0,1099·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 2 = 4,857 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) = 12·4/(10+4) = 3,429 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 130,5 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 = 25·15/(25+15) = 9,375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9,375 + 12 = 21,38 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) = 2,25 + 6·9,375 = 58,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 58,5 + 6·12 = 130,5 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 5,455 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 = 22/10 = 2,2
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/2,2 = 5,455 V
Відповідь
Vin,max = 5,455 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,636 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 = 2,2 kΩ · 1 µF = 2,2 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−2,9)/2,2 = 1,318 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)·2/2,2 = 2,636 V
Відповідь
Vout = 2,636 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 1,243 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 і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
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.