Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Is = 5 AVs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,5·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 3 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩRL = 3 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = −0,5 VV2 = 1,5 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 50 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 6 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 75 ms.
Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 6 Vt = 75 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 8,857 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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 12·16/(12+16) = 6,857 Ω
Req = R1 + 6,857 = 2 + 6,857 = 8,857 Ω
Відповідь
Req = 8,857 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,1545 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 + 20 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 2,813 Ω
R3 + 2,813 = 27,81 Ω
R2 ∥ 27,81 = 7,355 Ω
Req = R1 + 7,355 = 25 + 7,355 = 32,36 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/32,36 = 0,1545 A
Відповідь
IR1 = 0,1545 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 31,88 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.
Утворіть надвузол
Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.
VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/20 + (VA + 9)/12 = 5
VA = (5 − 9/12)/(1/20 + 1/12) = 31,88 V
VB = 31,88 + 9 = 40,88 V
Відповідь
VA = 31,88 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 2,618 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.
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
0,4333·VA − 0,03333·VB = 1,8
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.
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
5·I1 + 6(I1 − I2) = 18
11·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 6(I2 − I1) = (−15)
−6·I1 + 18·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (11)(18) − (−6)(−6) = 162
I1 = Δ1/Δ = 234/162 = 1,444 A
I2 = Δ2/Δ = −57/162 = −0,3519 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,444 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR5 = 0,5597 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 + 25(I1 − I2) = 6
33·I1 − 25·I2 = 6
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
3·I2 + 25(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 33·I2 − 5·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
6·I3 + 5(I3 − I2) = (−5)
−5·I2 + 11·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4279
I1 = Δ1/Δ = 1403/4279 = 0,3279 A
I2 = Δ2/Δ = 825/4279 = 0,1928 A
I3 = Δ3/Δ = −1570/4279 = −0,3669 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 0,5597 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR3 = 1,844 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.
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = 11,73 V
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) = 3 ∥ 11 = 2,357 Ω
VA = 36·2,357/(4+2,357) = 13,35 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,35·6/11 = 7,281 V
VR3′ = VA − 0 = 13,35 − 0 = 13,35 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 = 1,714 Ω, тож лівий шлях — R2+1,714 = 6,714 Ω
Req = R4 ∥ 6,714 = 3,169 Ω
VB = Is·Req = 1·3,169 = 3,169 V
VA = VB·1,714/6,714 = 0,809 V
VR3″ = VA − 0 = 0,809 − 0 = 0,809 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·6,714/12,71 = −9,506 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −9,506·1,714/6,714 = −2,427 V
VR3‴ = VA − 0 = −2,427 − 0 = −2,427 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 13,35 + 0,809 + (−2,427) = 11,73 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 2,857 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 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 2 = 3,429 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) = 10·2/(5+2) = 2,857 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 2,054 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 + 5 = 7,182 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) = 6,545 + 2·2,182 = 10,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,91 + 2·5 = 20,91 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) = 20,91/(7,182 + 3) = 2,054 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 5,532 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| = Rf/R1 = 4,7/2 = 2,35
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/2,35 = 5,532 V
Відповідь
Vin,max = 5,532 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,7394 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 = −0,5/47 = −0,01064 mA
I2 = V2/R2 = 1,5/2 = 0,75 mA
If = I1 + I2 = 0,7394 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −1·0,7394 = −0,7394 V
Відповідь
Vout = −0,7394 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 0,6182 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−1/0,44 = 0,6182 V
Відповідь
vL = 0,6182 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 8,691 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.