Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,2·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 15 V і Is = 2 mA I = 14,4 mA; при Vs = 4 V і Is = 5 mA I = 2,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 6 V і Is = 4 mA.
15 V, 2 mA → 14,4 mA4 V, 5 mA → 2,5 mAVs = 6 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 15 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 23,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 3 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 15 mA2·V1: I = 23,5 mA−Is: I = 3 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 2 kΩRf = 22 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.
Vs = 6 VR = 47 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 1 ms.
Vs = 20 VR1 = 47 ΩR2 = 33 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,128 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 = 12·22/(12+22) = 7,765 Ω
Req = R1 + 7,765 = 6 + 7,765 = 13,76 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/13,76 = 1,744 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,744·6 = 13,54 V
IR2 = VA/R2 = 13,54/12 = 1,128 A
Відповідь
IR2 = 1,128 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 4,875 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 = 25 + 25 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 6,897 Ω
R3 + 6,897 = 14,9 Ω
R2 ∥ 14,9 = 3,153 Ω
Req = R1 + 3,153 = 3 + 3,153 = 6,153 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/6,153 = 4,875 A
Відповідь
IR1 = 4,875 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,2261 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 = 24 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 − 24)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,2833·VA − 0,1667·VB = 1,6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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
0,325·VA − 0,1·VB = 0,5
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 = 0,2·VA
−0,3·VA + 0,225·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,325)(0,225) − (−0,1)(−0,3) = 0,04313
VA = Δ1/Δ = 0,1125/0,04313 = 2,609 V
VB = Δ2/Δ = 0,15/0,04313 = 3,478 V
Відповідь
VB = 3,478 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −1,1 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 30
16·I1 − 4·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
12·I2 + 4(I2 − I1) = (−24)
−4·I1 + 16·I2 = −24
Розв’яжіть
Δ = (16)(16) − (−4)(−4) = 240
I1 = Δ1/Δ = 384/240 = 1,6 A
I2 = Δ2/Δ = −264/240 = −1,1 A
Відповідь
I2 = −1,1 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR4 = 2,732 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, 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
20·I1 + 4(I1 − I2) = 18
24·I1 − 4·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
10·I2 + 4(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 16·I2 − 2·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
25·I3 + 2(I3 − I2) = (−24)
−2·I2 + 27·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 9840
I1 = Δ1/Δ = 7512/9840 = 0,7634 A
I2 = Δ2/Δ = 792/9840 = 0,08049 A
I3 = Δ3/Δ = −8688/9840 = −0,8829 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 0,6829 A
VR4 = IR4·R4 = 0,6829·4 = 2,732 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 4,8 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
15·k₁ + 2·k₂ = 14,4
4·k₁ + 5·k₂ = 2,5
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (15)(5) − (2)(4) = 67
k₁ = Δ1/Δ = 67/67 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −20,1/67 = −0,3
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,3
Обчисліть новий струм
I = 1·6 + (−0,3)·4 = 4,8 mA
Відповідь
I = 4,8 mA
8.Метод накладання
Відповідь: I = 14,5 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 вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 15
2·I₁ + I₂ + I₃ = 23,5
I₁ + I₂ − I₃ = 3
Знайдіть внески
I₁ = 23,5 − 15 = 8,5 mA
I₃ = (15 − 3)/2 = 6 mA
I₂ = 15 − 8,5 − 6 = 0,5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 8,5 + 6 = 14,5 mA
Відповідь
I = 14,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 4,286 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 4 = 5,6 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) = 30·8/(2+8) = 24 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 = 24/5,6 = 4,286 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = −1,711 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 4 = 6,609 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) = 5,217 + (−2,5)·2,609 = −1,304 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1,304 + (−2,5)·4 = −11,3 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 = −11,3/6,609 = −1,711 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 1,167 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.
Коефіцієнт підсилення
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/2 = 12
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/12 = 1,167 V
Відповідь
Vin,max = 1,167 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −2,568 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) = 1,2·1/(4,7 + 1) = 0,2105 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.
τ = L/R = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0,1277 A
Накопичена енергія
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·0,1277² = 1,793 mJ
Відповідь
W(∞) = 1,793 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,361 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 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.