Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 1 kΩRf = 2 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 0,3 VV2 = 0,2 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 10 ms, у mJ.
Vs = 5 VR = 5 ΩL = 47 mHt = 10 ms
W = mJ
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 9 V, рівно через 500 ms після старту. При R = 10 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 500 msR = 10 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 21,84 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 2·23/(2+23) = 1,84 Ω
Req = R1 + 1,84 = 20 + 1,84 = 21,84 Ω
Відповідь
Req = 21,84 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,2228 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 + 8 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 8,8 Ω
R3 + 8,8 = 33,8 Ω
R2 ∥ 33,8 = 10,39 Ω
Req = R1 + 10,39 = 30 + 10,39 = 40,39 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/40,39 = 0,2228 A
Відповідь
IR1 = 0,2228 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 1,045 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 = 15 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/5 + (VA − 15)/8 + (VA − VB)/15 = 0
0,3917·VA − 0,06667·VB = 1,875
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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 V, V2 = −6 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/10 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/5 = 0
0,4·VA − 0,2·VB = 1
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/3 + (VB − VA)/5 + (VB − (−6))/2 = 1
−0,2·VA + 1,033·VB = −2
Розв’яжіть
Δ = (0,4)(1,033) − (−0,2)(−0,2) = 0,3733
VA = Δ1/Δ = 0,6333/0,3733 = 1,696 V
VB = Δ2/Δ = −0,6/0,3733 = −1,607 V
Відповідь
VA = 1,696 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = −7,727 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
10·I1 + 4(I1 − I2) = 10
14·I1 − 4·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 4(I2 − I1) = (−15)
−4·I1 + 9·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (14)(9) − (−4)(−4) = 110
I1 = Δ1/Δ = 30/110 = 0,2727 A
I2 = Δ2/Δ = −170/110 = −1,545 A
Відповідь
IR2 = I2 = −1,545 A
VR2 = IR2·R2 = −1,545·5 = −7,727 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR4 = 0,4108 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
25·I1 + 5(I1 − I2) = 10
30·I1 − 5·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
30·I2 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 50·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
10·I3 + 15(I3 − I2) = (−9)
−15·I2 + 25·I3 = −9
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 30125
I1 = Δ1/Δ = 9575/30125 = 0,3178 A
I2 = Δ2/Δ = −2800/30125 = −0,09295 A
I3 = Δ3/Δ = −12525/30125 = −0,4158 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 0,4108 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: Is = 4,571 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 = 2+3 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·5/(20+5) = 4 Ω
VA = 24·4/(15+4) = 5,053 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,053·3/5 = 3,032 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (5,053 − 3,032)/2 = 1,011 A
Випадок 2 · діє лише Is
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) = 5 ∥ 45 = 4,5 Ω
VA = 15·4,5/(4+4,5) = 7,941 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,941·30/45 = 5,294 V
VR2′ = VB − VA = 5,294 − 7,941 = −2,647 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 = 2,222 Ω, тож лівий шлях — R2+2,222 = 17,22 Ω
Req = R4 ∥ 17,22 = 10,94 Ω
VB = Is·Req = 5·10,94 = 54,71 V
VA = VB·2,222/17,22 = 7,059 V
VR2″ = VB − VA = 54,71 − 7,059 = 47,65 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·17,22/47,22 = −6,565 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −6,565·2,222/17,22 = −0,8471 V
VR2‴ = VB − VA = −6,565 − −0,8471 = −5,718 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−2,647) + 47,65 + (−5,718) = 39,28 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,3333 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 15 = 18 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) = 24·4/(12+4) = 6 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 = 6/18 = 0,3333 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 20,75 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 2 = 3,5 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) = 6,75 + 4·1,5 = 12,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,75 + 4·2 = 20,75 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 4 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 + 2/1 = 3
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/3 = 4 V
Відповідь
Vin,max = 4 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −3,043 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 = 0,3/1 = 0,3 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/47 = 0,004255 mA
If = I1 + I2 = 0,3043 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −10·0,3043 = −3,043 V
Відповідь
Vout = −3,043 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 10,08 mJ
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 = 47 mH / 5 Ω = 9,4 ms
i(∞) = Vs/R = 5/5 = 1 A
Струм у заданий момент
i(t) = 1·(1 − e−10/9,4) = 0,6549 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·47·0,6549² = 10,08 mJ
Відповідь
W = 10,08 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 54,57 µF
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.