Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.
Vs = 6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩC = 33 µFt = 200 ms
vC = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 7,5 V, рівно через 20 ms після старту. При C = 47 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 15 VVth = 7,5 VT = 20 msC = 47 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 3 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 + 10 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 5 + 5 = 10 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/10 = 3 A
Відповідь
IR1 = 3 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 13,92 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 4,444 Ω
R3 + 4,444 = 6,444 Ω
R2 ∥ 6,444 = 3,919 Ω
Req = R1 + 3,919 = 10 + 3,919 = 13,92 Ω
Відповідь
Req = 13,92 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 5,417 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). 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/4 + (VA − 18)/12 + (VA − VB)/5 = 0
0,5333·VA − 0,2·VB = 1,5
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/10 + (VB − VA)/5 = 1
−0,2·VA + 0,3·VB = 1
Розв’яжіть
Δ = (0,5333)(0,3) − (−0,2)(−0,2) = 0,12
VA = Δ1/Δ = 0,65/0,12 = 5,417 V
VB = Δ2/Δ = 0,8333/0,12 = 6,944 V
Відповідь
VA = 5,417 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 7,397 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
0,5167·VA − 0,2·VB = 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 = 0,05·VA
−0,25·VA + 0,45·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,5167)(0,45) − (−0,2)(−0,25) = 0,1825
VA = Δ1/Δ = 1,35/0,1825 = 7,397 V
VB = Δ2/Δ = 0,75/0,1825 = 4,11 V
Відповідь
VA = 7,397 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = 0,339 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
8·I1 + 6(I1 − I2) = 30
14·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 6(I2 − I1) = (−10)
−6·I1 + 11·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (14)(11) − (−6)(−6) = 118
I1 = Δ1/Δ = 270/118 = 2,288 A
I2 = Δ2/Δ = 40/118 = 0,339 A
Відповідь
IR2 = I2 = 0,339 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = 0,3303 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 + 30(I1 − I2) = 30
34·I1 − 30·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
25·I2 + 30(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 85·I2 − 30·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
4·I3 + 30(I3 − I2) = (−18)
−30·I2 + 34·I3 = −18
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 37060
I1 = Δ1/Δ = 43500/37060 = 1,174 A
I2 = Δ2/Δ = 12240/37060 = 0,3303 A
I3 = Δ3/Δ = −8820/37060 = −0,238 A
Відповідь
I2 = 0,3303 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR1 = 1,179 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.
R3+R4 = 10+2 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
VA = 30·6,667/(15+6,667) = 9,231 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,231·2/12 = 1,538 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 9,231)/15 = 1,385 A
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 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 17,5 = 1,795 Ω
VB = Is·Req = 4·1,795 = 7,179 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,179·7,5/17,5 = 3,077 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 3,077)/15 = −0,2051 A
Додайте складові
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,385 + (−0,2051) = 1,179 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: PR3 = 3,911 W
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) = 5 ∥ 42 = 4,468 Ω
VA = 6·4,468/(4+4,468) = 3,166 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,166·30/42 = 2,261 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,166 − 0)/5 = 0,6332 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 = 2,222 Ω, тож лівий шлях — R2+2,222 = 14,22 Ω
Req = R4 ∥ 14,22 = 9,648 Ω
VB = Is·Req = 0,5·9,648 = 4,824 V
VA = VB·2,222/14,22 = 0,7538 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (0,7538 − 0)/5 = 0,1508 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·14,22/44,22 = 3,216 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,216·2,222/14,22 = 0,5025 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR3 = IR3²·R3 = 0,8844²·5 = 3,911 W
Відповідь
PR3 = 3,911 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 2,169 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 2,526 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 15 = 18,16 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) = 12·4/(15+4) = 2,526 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 33,33 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 8 = 11,33 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 + 2,5·3,333 = 13,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,33 + 2,5·8 = 33,33 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,3191 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = 1,1/1 = 1,1 mA
I2 = V2/R2 = −0,9/22 = −0,04091 mA
If = I1 + I2 = 1,059 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −4,7·1,059 = −4,978 V
Відповідь
Vout = −4,978 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 3,468 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.
Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора
Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.
Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·10/(4,7 + 10) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 6·10/(4,7 + 10) = 4,082 V
Стала часу
τ = Rth·C = 3,197·33 = 105,5 ms
Крива заряджання
vC(t) = 4,082·(1 − e−200/105,5) = 3,468 V
Відповідь
vC = 3,468 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 0,6139 kΩ
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.