Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.
Is = 2,5 AVs = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 6 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 25 ms.
Vs = 5 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 25 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 18 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 250 ms.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 18 Vt = 250 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 8,5 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 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Req = R1 + 2,5 = 6 + 2,5 = 8,5 Ω
Відповідь
Req = 8,5 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,7392 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 = 10,91 Ω
R3 + 10,91 = 14,91 Ω
R2 ∥ 14,91 = 5,206 Ω
Req = R1 + 5,206 = 8 + 5,206 = 13,21 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/13,21 = 1,136 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,136·8 = 5,913 V
IR2 = VA/R2 = 5,913/8 = 0,7392 A
Відповідь
IR2 = 0,7392 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Ix = 2,333 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 + Vs = VA + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/12 + (VA + 12)/6 = 2,5
VA = (2,5 − 12/6)/(1/12 + 1/6) = 2 V
VB = 2 + 12 = 14 V
Струм через джерело напруги
Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.
Ix = VB/R2 = 14/6 = 2,333 A
Відповідь
Ix = 2,333 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 3,568 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
0,19·VA − 0,04·VB = 0,6
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 = 0,05·VA
−0,09·VA + 0,165·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,19)(0,165) − (−0,04)(−0,09) = 0,02775
VA = Δ1/Δ = 0,099/0,02775 = 3,568 V
VB = Δ2/Δ = 0,054/0,02775 = 1,946 V
Відповідь
VA = 3,568 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 2,5 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
4·I1 + 6(I1 − I2) = 30
10·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 18·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (10)(18) − (−6)(−6) = 144
I1 = Δ1/Δ = 360/144 = 2,5 A
I2 = Δ2/Δ = −120/144 = −0,8333 A
Відповідь
I1 = 2,5 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR4 = 6,166 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
25·I1 + 6(I1 − I2) = 36
31·I1 − 6·I2 = 36
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 + 6(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 36·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−6)
−20·I2 + 45·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 36200
I1 = Δ1/Δ = 43200/36200 = 1,193 A
I2 = Δ2/Δ = 6000/36200 = 0,1657 A
I3 = Δ3/Δ = −2160/36200 = −0,05967 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 1,028 A
VR4 = IR4·R4 = 1,028·6 = 6,166 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR1 = 0,4735 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.
R3+R4 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·26/(10+26) = 7,222 Ω
VA = 24·7,222/(20+7,222) = 6,367 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,367·20/26 = 4,898 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 6,367)/20 = 0,8816 A
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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 12,67 = 7,755 Ω
VB = Is·Req = 2·7,755 = 15,51 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,51·6,667/12,67 = 8,163 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 8,163)/20 = −0,4082 A
Додайте складові
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,8816 + (−0,4082) = 0,4735 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 13,38 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 ∥ 17 = 3,238 Ω
VA = 5·3,238/(8+3,238) = 1,441 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,441·12/17 = 1,017 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 = 2,667 Ω, тож лівий шлях — R2+2,667 = 7,667 Ω
Req = R4 ∥ 7,667 = 4,678 Ω
VB = −Is·Req = −2·4,678 = −9,356 V
VA = VB·2,667/7,667 = −3,254 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 = 2,667 Ω
VA‴ = V2·2,667/(12 + 5 + 2,667) = 0,1356·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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 15 = 17,22 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) = 24·5/(4+5) = 13,33 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 = 13,33/17,22 = 0,7742 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 6,105 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 5 = 13,57 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) = 1,429 + 6·8,571 = 52,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 52,86 + 6·5 = 82,86 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 = 82,86/13,57 = 6,105 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 100 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 = (51 − 1)·2 = 100 kΩ
Відповідь
Rf = 100 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = 0,1423 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 = 1,7/10 = 0,17 mA
I2 = V2/R2 = −1,3/47 = −0,02766 mA
If = I1 + I2 = 0,1423 mA
Відповідь
If = 0,1423 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 0,4104 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−25/10 = 0,4104 V
Відповідь
vL = 0,4104 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 23,51 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.