Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
Is = 2,5 AVs = 3 VR1 = 20 ΩR2 = 20 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 13,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 10 VR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 7,58 V, рівно через 100 ms після старту. При R = 10 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 100 msR = 10 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,3803 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 10·17/(10+17) = 6,296 Ω
Req = R1 + 6,296 = 20 + 6,296 = 26,3 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/26,3 = 0,3803 A
Відповідь
IR1 = 0,3803 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,4777 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 2,75 Ω
R3 + 2,75 = 5,75 Ω
R2 ∥ 5,75 = 4,466 Ω
Req = R1 + 4,466 = 6 + 4,466 = 10,47 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/10,47 = 0,4777 A
Відповідь
IR1 = 0,4777 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 26,5 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 + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/20 + (VA + 3)/20 = 2,5
VA = (2,5 − 3/20)/(1/20 + 1/20) = 23,5 V
VB = 23,5 + 3 = 26,5 V
Відповідь
VB = 26,5 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 1,716 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
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(13,5 − 15)/25 + 13,5/15 = (VB − 13,5)/10
0,84 = (VB − 13,5)/10 → VB = 21,9 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (21,9 − 13,5)/10 + 21,9/25 = 1,716 A
Відповідь
Is = 1,716 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 1,259 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 + 10(I1 − I2) = 24
18·I1 − 10·I2 = 24
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
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−15)
−10·I1 + 18·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (18)(18) − (−10)(−10) = 224
I1 = Δ1/Δ = 282/224 = 1,259 A
I2 = Δ2/Δ = −30/224 = −0,1339 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,259 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 3,033 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 + 2(I1 − I2) = 30
10·I1 − 2·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
8·I2 + 2(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 20·I2 − 10·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
2·I3 + 10(I3 − I2) = (−5)
−10·I2 + 12·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1352
I1 = Δ1/Δ = 4100/1352 = 3,033 A
I2 = Δ2/Δ = 220/1352 = 0,1627 A
I3 = Δ3/Δ = −380/1352 = −0,2811 A
Відповідь
I1 = 3,033 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 12,71 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
Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.
R3+R4 = 8+12 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
VA = 12·5,714/(4+5,714) = 7,059 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,059·12/20 = 4,235 V
VR2′ = VA − 0 = 7,059 − 0 = 7,059 V
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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 10,67 = 5,647 Ω
VB = Is·Req = 4·5,647 = 22,59 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 22,59·2,667/10,67 = 5,647 V
VR2″ = VA − 0 = 5,647 − 0 = 5,647 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 7,059 + 5,647 = 12,71 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = 11,34 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) = 15 ∥ 18 = 8,182 Ω
VA = 9·8,182/(3+8,182) = 6,585 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,585·15/18 = 5,488 V
VR3′ = VA − 0 = 6,585 − 0 = 6,585 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 = 2,5 Ω, тож лівий шлях — R2+2,5 = 5,5 Ω
Req = R4 ∥ 5,5 = 4,024 Ω
VB = Is·Req = 1·4,024 = 4,024 V
VA = VB·2,5/5,5 = 1,829 V
VR3″ = VA − 0 = 1,829 − 0 = 1,829 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 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·5,5/20,5 = 6,439 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,439·2,5/5,5 = 2,927 V
VR3‴ = VA − 0 = 2,927 − 0 = 2,927 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 6,585 + 1,829 + 2,927 = 11,34 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,8276 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 3 = 9,667 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) = 12·20/(10+20) = 8 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 = 8/9,667 = 0,8276 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = −3,02 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 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,143 + 15 = 22,14 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) = 25,71 + (−5)·7,143 = −10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10 + (−5)·15 = −85 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) = −85/(22,14 + 6) = −3,02 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 3,2 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₊ = 1,6 V
I = V₋/R1 = 1,6/4,7 = 0,3404 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,6 + 0,3404·4,7 = 3,2 V
Відповідь
Vout = 3,2 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −4,045 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 = 0,2/47 = 0,004255 mA
I2 = V2/R2 = 1,8/22 = 0,08182 mA
If = I1 + I2 = 0,08607 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −47·0,08607 = −4,045 V
Відповідь
Vout = −4,045 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 9,21 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 / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/50 = 0,2 A
Виразіть час
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −2·ln(0,01) = 9,21 ms
Відповідь
t = 9,21 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 10,01 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.