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.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 75% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 9 VR = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 120 ms.
Vs = 24 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µFt = 120 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 4,769 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 4·9/(4+9) = 2,769 Ω
Req = R1 + 2,769 = 2 + 2,769 = 4,769 Ω
Відповідь
Req = 4,769 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 33,16 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 1,667 Ω
R3 + 1,667 = 6,667 Ω
R2 ∥ 6,667 = 3,158 Ω
Req = R1 + 3,158 = 30 + 3,158 = 33,16 Ω
Відповідь
Req = 33,16 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I3 = 1,756 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 − 18)/20 + (VA − 6)/8 + (VA − 30)/6 = 0
Знайдіть VA
VA = (18/20 + 6/8 + 30/6) / (1/20 + 1/8 + 1/6) = 6,65/0,3417 = 19,46 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I3 = (30 − VA)/R3 = (30 − 19,46)/6 = 1,756 A
Відповідь
I3 = 1,756 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = −1,079 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 = 15 V, V2 = 5 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/4 + (VA − 15)/3 + (VA − VB)/10 = 0
0,6833·VA − 0,1·VB = 5
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/5 + (VB − VA)/10 + (VB − 5)/2 = (−1)
−0,1·VA + 0,8·VB = 1,5
Розв’яжіть
Δ = (0,6833)(0,8) − (−0,1)(−0,1) = 0,5367
VA = Δ1/Δ = 4,15/0,5367 = 7,733 V
VB = Δ2/Δ = 1,525/0,5367 = 2,842 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (2,842 − 5)/2 = −1,079 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 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. 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 + 3(I1 − I2) = 24
13·I1 − 3·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
4·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 7·I2 = −24
Розв’яжіть
Δ = (13)(7) − (−3)(−3) = 82
I1 = Δ1/Δ = 96/82 = 1,171 A
I2 = Δ2/Δ = −240/82 = −2,927 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,171 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR5 = 0,1209 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
12·I1 + 3(I1 − I2) = 15
15·I1 − 3·I2 = 15
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
10·I2 + 3(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 43·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−5)
−30·I2 + 38·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 10668
I1 = Δ1/Δ = 10560/10668 = 0,9899 A
I2 = Δ2/Δ = −540/10668 = −0,05062 A
I3 = Δ3/Δ = −1830/10668 = −0,1715 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 0,1209 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 1,826 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
Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.
R3+R4 = 2+10 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
VA = 18·3,529/(10+3,529) = 4,696 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,696·10/12 = 3,913 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 4,696 = −4,696 V
Випадок 2 · діє лише Is
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ паралельний R₂. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ і шляхом через R₃.
R1 ∥ R2 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 5,333 = 3,478 Ω
VB = Is·Req = (−3)·3,478 = −10,43 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −10,43·3,333/5,333 = −6,522 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − −6,522 = 6,522 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−4,696) + 6,522 = 1,826 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: IR2 = −1,519 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.
IR2 = (−0,4444) + (−0,8889) + (−0,1852) = −1,519 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,2632 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 5 = 6,714 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) = 10·4/(3+4) = 5,714 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) = 5,714/(6,714 + 15) = 0,2632 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 30,5 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 25 = 28 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) = 2,5 + 1·3 = 5,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,5 + 1·25 = 30,5 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −3,8 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.
Інвертувальний вхід повторює вхід
V₋ = V₊ = −1,9 V
I = V₋/R1 = −1,9/4,7 = −0,4043 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,9 + (−0,4043)·4,7 = −3,8 V
Відповідь
Vout = −3,8 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = −0,6638 mA
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 = −1,2/2 = −0,6 mA
I2 = V2/R2 = −0,3/4,7 = −0,06383 mA
If = I1 + I2 = −0,6638 mA
Відповідь
If = −0,6638 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 2,287 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 9/20 = 0,45 A
Виразіть час
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −1,65·ln(0,25) = 2,287 ms
Відповідь
t = 2,287 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 0,9557 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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.