Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,1·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 4 V і Is = 5 mA I = 7 mA; при Vs = 12 V і Is = 10 mA I = 18 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 6 V і Is = 8 mA.
4 V, 5 mA → 7 mA12 V, 10 mA → 18 mAVs = 6 V, Is = 8 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 1,3 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 0,2 VV2 = 0,8 VR1 = 47 kΩR2 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.
Vs = 20 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 2 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 100 ms.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 2 Vt = 100 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,3818 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 15·21/(15+21) = 8,75 Ω
Req = R1 + 8,75 = 5 + 8,75 = 13,75 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/13,75 = 0,6545 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,6545·5 = 5,727 V
IR2 = VA/R2 = 5,727/15 = 0,3818 A
Відповідь
IR2 = 0,3818 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,5918 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 = 12 + 15 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 4,219 Ω
R3 + 4,219 = 16,22 Ω
R2 ∥ 16,22 = 6,897 Ω
Req = R1 + 6,897 = 10 + 6,897 = 16,9 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/16,9 = 0,5918 A
Відповідь
IR1 = 0,5918 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = −0,3409 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 = 10 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 − 10)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0,4·VA − 0,1·VB = 2,5
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)/10 = 5
−0,1·VA + 0,3·VB = 5
Розв’яжіть
Δ = (0,4)(0,3) − (−0,1)(−0,1) = 0,11
VA = Δ1/Δ = 1,25/0,11 = 11,36 V
VB = Δ2/Δ = 2,25/0,11 = 20,45 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 11,36)/4 = −0,3409 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 2,735 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
0,2733·VA − 0,2·VB = 0,3
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 = 0,1·VA
−0,3·VA + 0,3667·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,2733)(0,3667) − (−0,2)(−0,3) = 0,04022
VA = Δ1/Δ = 0,11/0,04022 = 2,735 V
VB = Δ2/Δ = 0,09/0,04022 = 2,238 V
Відповідь
VA = 2,735 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = 1,5 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
2·I1 + 12(I1 − I2) = 24
14·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 12(I2 − I1) = (−12)
−12·I1 + 16·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (14)(16) − (−12)(−12) = 80
I1 = Δ1/Δ = 240/80 = 3 A
I2 = Δ2/Δ = 120/80 = 1,5 A
Відповідь
IR2 = I2 = 1,5 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 4,984 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
2·I1 + 8(I1 − I2) = 36
10·I1 − 8·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
8·I2 + 8(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 24·I2 − 8·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
30·I3 + 8(I3 − I2) = (−6)
−8·I2 + 38·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 6048
I1 = Δ1/Δ = 30144/6048 = 4,984 A
I2 = Δ2/Δ = 10464/6048 = 1,73 A
I3 = Δ3/Δ = 1248/6048 = 0,2063 A
Відповідь
I1 = 4,984 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 10,8 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
4·k₁ + 5·k₂ = 7
12·k₁ + 10·k₂ = 18
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (4)(10) − (5)(12) = −20
k₁ = Δ1/Δ = −20/−20 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −12/−20 = 0,6
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,6
Обчисліть новий струм
I = 1·6 + 0,6·8 = 10,8 mA
Відповідь
I = 10,8 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR3 = 1,046 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) = 12 ∥ 23 = 7,886 Ω
VA = 18·7,886/(2+7,886) = 14,36 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 14,36·8/23 = 4,994 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (14,36 − 0)/12 = 1,197 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 = 1,714 Ω, тож лівий шлях — R2+1,714 = 16,71 Ω
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·16,71/24,71 = −12,17 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −12,17·1,714/16,71 = −1,249 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,249 − 0)/12 = −0,104 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 1,197 + (−0,04624) + (−0,104) = 1,046 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 18,33 Ω
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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 15 = 18,33 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 208,3 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 12 = 16,62 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) = 18,46 + 6·4,615 = 46,15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 46,15 + 6·12 = 118,2 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) = 118,2/(16,62 + 20) = 3,227 A
PL = IL²·RL = 3,227²·20 = 208,3 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 7,41 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.
Інвертувальний вхід повторює вхід
V₋ = V₊ = 1,3 V
I = V₋/R1 = 1,3/1 = 1,3 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,3 + 1,3·4,7 = 7,41 V
Відповідь
Vout = 7,41 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,609 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = 0,2/47 = 0,004255 mA
I2 = V2/R2 = 0,8/1 = 0,8 mA
If = I1 + I2 = 0,8043 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −2·0,8043 = −1,609 V
Відповідь
Vout = −1,609 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 1,063 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.
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.