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 = 2,5 AVs = 8 VR1 = 8 ΩR2 = 4 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
V1 = 9 VIs = 3 AVs = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR1 на R1 з указаною полярністю.
V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
VR1 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 6 V і Is = 1 mA I = 6,8 mA; при Vs = 2 V і Is = 10 mA I = −1,6 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 20 V і Is = 1 mA.
6 V, 1 mA → 6,8 mA2 V, 10 mA → −1,6 mAVs = 20 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 5 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 2 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 5,2 V? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 2 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 17,08 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 15·23/(15+23) = 9,079 Ω
Req = R1 + 9,079 = 8 + 9,079 = 17,08 Ω
Відповідь
Req = 17,08 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,3619 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 = 30 + 20 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 16,67 Ω
R3 + 16,67 = 31,67 Ω
R2 ∥ 31,67 = 4,318 Ω
Req = R1 + 4,318 = 10 + 4,318 = 14,32 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/14,32 = 0,419 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,419·10 = 1,81 V
IR2 = VA/R2 = 1,81/5 = 0,3619 A
Відповідь
IR2 = 0,3619 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 1,333 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 + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/8 + (VA + 8)/4 = 2,5
VA = (2,5 − 8/4)/(1/8 + 1/4) = 1,333 V
VB = 1,333 + 8 = 9,333 V
Відповідь
VA = 1,333 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 6,316 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 − 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 9)/8 + VA/10 + (VA − 5)/4 = 3
VA·(1/8 + 1/10 + 1/4) = 3 + 9/8 + 5/4 = 5,375
VA = 5,375/0,475 = 11,32 V
VB = 6,316 V
Відповідь
VB = 6,316 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR1 = 0,3448 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. 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
6·I1 + 15(I1 − I2) = 10
21·I1 − 15·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 15(I2 − I1) = (−12)
−15·I1 + 19·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (21)(19) − (−15)(−15) = 174
I1 = Δ1/Δ = 10/174 = 0,05747 A
I2 = Δ2/Δ = −102/174 = −0,5862 A
Відповідь
IR1 = I1 = 0,05747 A
VR1 = IR1·R1 = 0,05747·6 = 0,3448 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR4 = 1,252 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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 18
12·I1 − 8·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 8(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 19·I2 − 5·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
12·I3 + 5(I3 − I2) = (−10)
−5·I2 + 17·I3 = −10
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2488
I1 = Δ1/Δ = 4964/2488 = 1,995 A
I2 = Δ2/Δ = 1848/2488 = 0,7428 A
I3 = Δ3/Δ = −920/2488 = −0,3698 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 1,252 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 23,6 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
6·k₁ + 1·k₂ = 6,8
2·k₁ + 10·k₂ = −1,6
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (6)(10) − (1)(2) = 58
k₁ = Δ1/Δ = 69,6/58 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −23,2/58 = −0,4
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = −0,4
Обчисліть новий струм
I = 1,2·20 + (−0,4)·1 = 23,6 mA
Відповідь
I = 23,6 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR2 = −1,935 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.
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 7,2 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 10 = 16 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) = 12·15/(10+15) = 7,2 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 111,4 W
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 + 15 = 24,38 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) = 6,75 + 4·9,375 = 44,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 44,25 + 4·15 = 104,2 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) = 104,2/(24,38 + 25) = 2,111 A
PL = IL²·RL = 2,111²·25 = 111,4 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 200 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 = (3 − 1)·100 = 200 kΩ
Відповідь
Rf = 200 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,4123 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 вході +
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,1·1/(4,7 + 1) = 0,193 V
Накладіть дію двох входів
При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.
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.