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 = 1,5 AVs = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 5 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, 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 = 2 V і Is = 2 mA I = 1 mA; при Vs = 10 V і Is = 4 mA I = 4,4 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 5 V і Is = 10 mA.
2 V, 2 mA → 1 mA10 V, 4 mA → 4,4 mAVs = 5 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 20.
R1 = 10 kΩAv = 20
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 2,5 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 50 ms.
Через котушку тече сталий струм 2 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,4 A? Знайдіть t.
i(0) = 2 AR = 33 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм котушки i при t = 5 ms.
Vs = 12 VR1 = 22 ΩR2 = 33 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 9,484 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 + 15 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 4·27/(4+27) = 3,484 Ω
Req = R1 + 3,484 = 6 + 3,484 = 9,484 Ω
Відповідь
Req = 9,484 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 35,87 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2,308 Ω
R3 + 2,308 = 8,308 Ω
R2 ∥ 8,308 = 5,87 Ω
Req = R1 + 5,87 = 30 + 5,87 = 35,87 Ω
Відповідь
Req = 35,87 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = −0,4286 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 + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/2 + (VA + 9)/5 = 1,5
VA = (1,5 − 9/5)/(1/2 + 1/5) = −0,4286 V
VB = −0,4286 + 9 = 8,571 V
Відповідь
VA = −0,4286 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 3,978 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 = 6 V, V2 = −36 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/25 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/6 = 0
0,3067·VA − 0,1667·VB = 0,6
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)/6 + (VB − (−36))/8 = 2,5
−0,1667·VA + 0,4917·VB = −2
Розв’яжіть
Δ = (0,3067)(0,4917) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,123
VA = Δ1/Δ = −0,03833/0,123 = −0,3117 V
VB = Δ2/Δ = −0,5133/0,123 = −4,173 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (−4,173 − −36)/8 = 3,978 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,05747 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 9
27·I1 − 12·I2 = 9
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
3·I2 + 12(I2 − I1) = (−10)
−12·I1 + 15·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (27)(15) − (−12)(−12) = 261
I1 = Δ1/Δ = 15/261 = 0,05747 A
I2 = Δ2/Δ = −162/261 = −0,6207 A
Відповідь
I1 = 0,05747 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = −0,5278 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
5·I1 + 2(I1 − I2) = 10
7·I1 − 2·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 2(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 37·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−9)
−15·I2 + 21·I3 = −9
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 3780
I1 = Δ1/Δ = 5250/3780 = 1,389 A
I2 = Δ2/Δ = −525/3780 = −0,1389 A
I3 = Δ3/Δ = −1995/3780 = −0,5278 A
Відповідь
IR3 = I3 = −0,5278 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 3 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
2·k₁ + 2·k₂ = 1
10·k₁ + 4·k₂ = 4,4
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (2)(4) − (2)(10) = −12
k₁ = Δ1/Δ = −4,8/−12 = 0,4
k₂ = Δ2/Δ = −1,2/−12 = 0,1
k₁ = 0,4 mA/V, k₂ = 0,1
Обчисліть новий струм
I = 0,4·5 + 0,1·10 = 3 mA
Відповідь
I = 3 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR3 = −2,128 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.
R3 ∥ (R2+R4) = 3 ∥ 27 = 2,7 Ω
VA = 12·2,7/(2+2,7) = 6,894 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,894·12/27 = 3,064 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,894)/3 = −2,298 A
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 = 1,2 Ω, тож лівий шлях — R2+1,2 = 16,2 Ω
Req = R4 ∥ 16,2 = 6,894 Ω
VB = Is·Req = 0,5·6,894 = 3,447 V
VA = VB·1,2/16,2 = 0,2553 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 0,2553)/3 = −0,08511 A
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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·16,2/28,2 = −10,34 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −10,34·1,2/16,2 = −0,766 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − −0,766)/3 = 0,2553 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−2,298) + (−0,08511) + 0,2553 = −2,128 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 2,667 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 15 = 21,67 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) = 6·12/(15+12) = 2,667 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = −3,647 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 6 = 14,57 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) = 5,143 + (−4)·8,571 = −29,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −29,14 + (−4)·6 = −53,14 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 = −53,14/14,57 = −3,647 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 190 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 = (20 − 1)·10 = 190 kΩ
Відповідь
Rf = 190 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −5,682 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 = 100 kΩ · 0,22 µF = 22 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −2,5/22 = −0,1136 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2,5·50/22 = −5,682 V
Відповідь
Vout = −5,682 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1,073 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
τ = L/R = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
Виразіть час
0,4 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,4)
t = 0,6667·ln(5) = 1,073 ms
Відповідь
t = 1,073 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,2705 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.