Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
V1 = 6 VIs = 6 AVs = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.
V1 = 12 VV2 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
IR3 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I3 (за годинниковою стрілкою).
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 80% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 9 VR = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 9 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 5,69 V, рівно через 20 ms після старту. При R = 1 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 20 msR = 1 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 3,281 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Req = R1 + 7,143 = 2 + 7,143 = 9,143 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/9,143 = 3,281 A
Відповідь
IR1 = 3,281 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 3,16 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 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 9,643 Ω
R3 + 9,643 = 19,64 Ω
R2 ∥ 19,64 = 4,596 Ω
Req = R1 + 4,596 = 3 + 4,596 = 7,596 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/7,596 = 3,16 A
Відповідь
IR1 = 3,16 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 123,6 W
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 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 − 6)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,5·VA − 0,25·VB = 0,3
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/12 + (VB − VA)/4 = 5
−0,25·VA + 0,3333·VB = 5
Розв’яжіть
Δ = (0,5)(0,3333) − (−0,25)(−0,25) = 0,1042
VA = Δ1/Δ = 1,35/0,1042 = 12,96 V
VB = Δ2/Δ = 2,575/0,1042 = 24,72 V
Потужність, яку віддає джерело струму
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 24,72·5 = 123,6 W
Відповідь
PIs = 123,6 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 17,45 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 − 6
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Розв’яжіть
(VA − 6)/6 + VA/8 + (VA − 6)/6 = 6
VA·(1/6 + 1/8 + 1/6) = 6 + 6/6 + 6/6 = 8
VA = 8/0,4583 = 17,45 V
VB = 11,45 V
Відповідь
VA = 17,45 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 0,3333 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 + 20(I1 − I2) = 12
32·I1 − 20·I2 = 12
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
6·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 26·I2 = −6
Розв’яжіть
Δ = (32)(26) − (−20)(−20) = 432
I1 = Δ1/Δ = 192/432 = 0,4444 A
I2 = Δ2/Δ = 48/432 = 0,1111 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 0,3333 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −0,9326 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
6·I1 + 25(I1 − I2) = 15
31·I1 − 25·I2 = 15
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 + 25(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 56·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−30)
−6·I2 + 31·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 33325
I1 = Δ1/Δ = 21000/33325 = 0,6302 A
I2 = Δ2/Δ = 6045/33325 = 0,1814 A
I3 = Δ3/Δ = −31080/33325 = −0,9326 A
Відповідь
I3 = −0,9326 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR4 = 3,349 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
Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.
R3+R4 = 5+2 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·7/(2+7) = 1,556 Ω
VA = 18·1,556/(6+1,556) = 3,706 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,706·2/7 = 1,059 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,059 − 0)/2 = 0,5294 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 6,5 = 1,529 Ω
VB = Is·Req = 1·1,529 = 1,529 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 1,529·1,5/6,5 = 0,3529 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (1,529 − 0)/2 = 0,7647 A
Додайте внески струму
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,5294 + 0,7647 = 1,294 A
Потужність у резисторі
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = 1,294²·2 = 3,349 W
Відповідь
PR4 = 3,349 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 1,73 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 18,4 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) = 4 ∥ 14 = 3,111 Ω
VA = 10·3,111/(25+3,111) = 1,107 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,107·4/14 = 0,3162 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R3 = 3,448 Ω, тож лівий шлях — R2+3,448 = 13,45 Ω
Req = R4 ∥ 13,45 = 3,083 Ω
VB = −Is·Req = −6·3,083 = −18,5 V
VA = VB·3,448/13,45 = −4,743 V
Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 3,448 Ω
VA‴ = V2·3,448/(4 + 10 + 3,448) = 0,1976·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 2 = 6,444 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = −4,143 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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 12 = 16,8 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) = 14,4 + (−5)·4,8 = −9,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −9,6 + (−5)·12 = −69,6 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 = −69,6/16,8 = −4,143 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,9 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₊ = 0,3 V
I = V₋/R1 = 0,3/1 = 0,3 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,3 + 0,3·2 = 0,9 V
Відповідь
Vout = 0,9 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = −0,4079 mA
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 = −1,1/10 = −0,11 mA
I2 = V2/R2 = −1,4/4,7 = −0,2979 mA
If = I1 + I2 = −0,4079 mA
Відповідь
If = −0,4079 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,424 ms
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 = 100 mH / 47 Ω = 2,128 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A
Виразіть час
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −2,128·ln(0,2) = 3,424 ms
Відповідь
t = 3,424 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 19,99 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.