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 = 5 AVs = 8 VR1 = 4 ΩR2 = 8 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти вузлову напругу VA (відносно землі).
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 = 2,8 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.
Vin = 2,8 VR = 10 kΩC = 0,1 µFVsat = ±14 V
t = ms
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 80% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 10 VR = 100 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 3 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 750 ms.
Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 3 Vt = 750 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 22,35 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 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 12·19/(12+19) = 7,355 Ω
Req = R1 + 7,355 = 15 + 7,355 = 22,35 Ω
Відповідь
Req = 22,35 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,2238 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,857 Ω
R3 + 6,857 = 9,857 Ω
R2 ∥ 9,857 = 4,964 Ω
Req = R1 + 4,964 = 15 + 4,964 = 19,96 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/19,96 = 0,4508 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,4508·15 = 2,238 V
IR2 = VA/R2 = 2,238/10 = 0,2238 A
Відповідь
IR2 = 0,2238 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 + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/4 + (VA + 8)/8 = 5
VA = (5 − 8/8)/(1/4 + 1/8) = 10,67 V
VB = 10,67 + 8 = 18,67 V
Струм через джерело напруги
Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.
Ix = VB/R2 = 18,67/8 = 2,333 A
Відповідь
Ix = 2,333 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 8,3 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 = 18 V, V2 = −30 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/12 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/30 = 0
0,3167·VA − 0,03333·VB = 3,6
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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 6
16·I1 − 4·I2 = 6
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
8·I2 + 4(I2 − I1) = (−15)
−4·I1 + 12·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (16)(12) − (−4)(−4) = 176
I1 = Δ1/Δ = 12/176 = 0,06818 A
I2 = Δ2/Δ = −216/176 = −1,227 A
Відповідь
IR2 = I2 = −1,227 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = 0,4258 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 + 4(I1 − I2) = 30
7·I1 − 4·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 + 4(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 36·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
6·I3 + 2(I3 − I2) = (−12)
−2·I2 + 8·I3 = −12
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1860
I1 = Δ1/Δ = 8424/1860 = 4,529 A
I2 = Δ2/Δ = 792/1860 = 0,4258 A
I3 = Δ3/Δ = −2592/1860 = −1,394 A
Відповідь
I2 = 0,4258 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR4 = −1,783 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 = 3+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
VA = 15·5,714/(3+5,714) = 9,836 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,836·5/8 = 6,148 V
VR4′ = VB − 0 = 6,148 − 0 = 6,148 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 5,609 = 2,643 Ω
VB = Is·Req = (−3)·2,643 = −7,93 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −7,93·2,609/5,609 = −3,689 V
VR4″ = VB − 0 = −7,93 − 0 = −7,93 V
Додайте складові
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 6,148 + (−7,93) = −1,783 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = −33,81 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) = 20 ∥ 32 = 12,31 Ω
VA = 5·12,31/(20+12,31) = 1,905 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,905·30/32 = 1,786 V
VR3′ = VA − 0 = 1,905 − 0 = 1,905 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 = 10 Ω, тож лівий шлях — R2+10 = 12 Ω
Req = R4 ∥ 12 = 8,571 Ω
VB = Is·Req = (−4)·8,571 = −34,29 V
VA = VB·10/12 = −28,57 V
VR3″ = VA − 0 = −28,57 − 0 = −28,57 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·12/42 = −8,571 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −8,571·10/12 = −7,143 V
VR3‴ = VA − 0 = −7,143 − 0 = −7,143 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 1,905 + (−28,57) + (−7,143) = −33,81 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,4706 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 15 = 17 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) = 24·3/(6+3) = 8 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 = 8/17 = 0,4706 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 4,395 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 5 = 7,308 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) = 13,85 + 2,5·2,308 = 19,62 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,62 + 2,5·5 = 32,12 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 = 32,12/7,308 = 4,395 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,9551 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.
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 = 10 kΩ · 0,1 µF = 1 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −2,8/1 = −2,8 V/ms
Час до насичення
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·1/2,8 = 5 ms
Відповідь
t = 5 ms
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 0,5311 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 / 100 Ω = 0,33 ms
i(∞) = Vs/R = 10/100 = 0,1 A
Виразіть час
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,33·ln(0,2) = 0,5311 ms
Відповідь
t = 0,5311 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 4,336 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.