Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,25·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 11.
R1 = 4,7 kΩAv = 11
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Знайдіть загальний коефіцієнт підсилення за напругою Av = Vout/Vin.
R1 = 2 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 2 kΩ
Av =
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 = 6 VR = 47 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 500 ms.
Vs = 12 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 20 Vt = 500 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,2237 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.
R3 + R4 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 15·22/(15+22) = 8,919 Ω
Req = R1 + 8,919 = 15 + 8,919 = 23,92 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/23,92 = 0,3763 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,3763·15 = 3,356 V
IR2 = VA/R2 = 3,356/15 = 0,2237 A
Відповідь
IR2 = 0,2237 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,052 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 14,21 Ω
R3 + 14,21 = 34,21 Ω
R2 ∥ 34,21 = 5,105 Ω
Req = R1 + 5,105 = 12 + 5,105 = 17,1 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/17,1 = 1,052 A
Відповідь
IR1 = 1,052 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,4067 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 = 12 V). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 12)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,5083·VA − 0,125·VB = 4
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/8 = 2,5
−0,125·VA + 0,325·VB = 2,5
Розв’яжіть
Δ = (0,5083)(0,325) − (−0,125)(−0,125) = 0,1496
VA = Δ1/Δ = 1,613/0,1496 = 10,78 V
VB = Δ2/Δ = 1,771/0,1496 = 11,84 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 10,78)/3 = 0,4067 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 15 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
0,7·VA − 0,2·VB = 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 = 0,25·VA
−0,45·VA + 0,3·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,7)(0,3) − (−0,2)(−0,45) = 0,12
VA = Δ1/Δ = 1,8/0,12 = 15 V
VB = Δ2/Δ = 2,7/0,12 = 22,5 V
Відповідь
VA = 15 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = −15,55 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 9
18·I1 − 10·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
20·I2 + 10(I2 − I1) = (−24)
−10·I1 + 30·I2 = −24
Розв’яжіть
Δ = (18)(30) − (−10)(−10) = 440
I1 = Δ1/Δ = 30/440 = 0,06818 A
I2 = Δ2/Δ = −342/440 = −0,7773 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,7773 A
VR2 = IR2·R2 = −0,7773·20 = −15,55 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,779 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
8·I1 + 30(I1 − I2) = 24
38·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 30(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 54·I2 − 4·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
3·I3 + 4(I3 − I2) = (−24)
−4·I2 + 7·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 7456
I1 = Δ1/Δ = 5808/7456 = 0,779 A
I2 = Δ2/Δ = 1392/7456 = 0,1867 A
I3 = Δ3/Δ = −24768/7456 = −3,322 A
Відповідь
I1 = 0,779 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: Is = 3,273 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.
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ ∥ R₂ з’єднує A із землею. Iₛ розгалужується у вузлі B між R₄ і шляхом R₃ + R₁∥R₂; частина через R₃ тече від B до A, проти стрілки.
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) = 25 ∥ 26 = 12,75 Ω
VA = 18·12,75/(5+12,75) = 12,93 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 12,93·6/26 = 2,983 V
VR3′ = VA − 0 = 12,93 − 0 = 12,93 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 = 4,167 Ω, тож лівий шлях — R2+4,167 = 24,17 Ω
Req = R4 ∥ 24,17 = 4,807 Ω
VB = Is·Req = (−6)·4,807 = −28,84 V
VA = VB·4,167/24,17 = −4,972 V
VR3″ = VA − 0 = −4,972 − 0 = −4,972 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 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−5)·24,17/30,17 = −4,006 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −4,006·4,167/24,17 = −0,6906 V
VR3‴ = VA − 0 = −0,6906 − 0 = −0,6906 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 12,93 + (−4,972) + (−0,6906) = 7,265 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 1,765 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 4 = 5,765 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) = 15·2/(15+2) = 1,765 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 7,348 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 2 = 4,182 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) = 9,818 + 5·2,182 = 20,73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20,73 + 5·2 = 30,73 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 = 30,73/4,182 = 7,348 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 47 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 = (11 − 1)·4,7 = 47 kΩ
Відповідь
Rf = 47 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Av = −3,35
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.
Коефіцієнт підсилення кожного каскаду
A1 = −Rf1/R1 = −4,7/2 = −2,35
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/4,7 = 1,426
Загальний коефіцієнт підсилення
Av = A1·A2 = −2,35·1,426 = −3,35
Відповідь
Av = −3,35
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 5,137 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 = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0,1277 A
Виразіть час
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −3,191·ln(0,2) = 5,137 ms
Відповідь
t = 5,137 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 15,83 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.