Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,25·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = −1 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 1,9 VV2 = 1,4 VR1 = 2 kΩR2 = 22 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 = 10 ms.
Vs = 5 VR = 15 ΩL = 68 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 2 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 19,6 V? Знайдіть t.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 2 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,206 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 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 3·13/(3+13) = 2,438 Ω
Req = R1 + 2,438 = 10 + 2,438 = 12,44 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/12,44 = 1,206 A
Відповідь
IR1 = 1,206 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 11,79 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.
R5 + R6 = 3 + 12 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 1,765 Ω
R3 + 1,765 = 16,76 Ω
R2 ∥ 16,76 = 1,787 Ω
Req = R1 + 1,787 = 10 + 1,787 = 11,79 Ω
Відповідь
Req = 11,79 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 12,73 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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 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/12 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 1,667
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/10 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,225·VB = 4
Розв’яжіть
Δ = (0,375)(0,225) − (−0,125)(−0,125) = 0,06875
VA = Δ1/Δ = 0,875/0,06875 = 12,73 V
VB = Δ2/Δ = 1,708/0,06875 = 24,85 V
Відповідь
VA = 12,73 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 0,7714 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
0,3667·VA − 0,2·VB = 0,4
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 = 0,25·VA
−0,45·VA + 0,325·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,3667)(0,325) − (−0,2)(−0,45) = 0,02917
VA = Δ1/Δ = 0,13/0,02917 = 4,457 V
VB = Δ2/Δ = 0,18/0,02917 = 6,171 V
Струм через R₄
IR4 = VB/R4 = 6,171/8 = 0,7714 A
Відповідь
IR4 = 0,7714 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = −2,538 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
2·I1 + 12(I1 − I2) = 6
14·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 12(I2 − I1) = (−18)
−12·I1 + 14·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (14)(14) − (−12)(−12) = 52
I1 = Δ1/Δ = −132/52 = −2,538 A
I2 = Δ2/Δ = −180/52 = −3,462 A
Відповідь
IR1 = I1 = −2,538 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −0,1453 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
15·I1 + 20(I1 − I2) = 6
35·I1 − 20·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
30·I2 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 60·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
20·I3 + 10(I3 − I2) = (−30)
−10·I2 + 30·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 47500
I1 = Δ1/Δ = 4200/47500 = 0,08842 A
I2 = Δ2/Δ = −6900/47500 = −0,1453 A
I3 = Δ3/Δ = −49800/47500 = −1,048 A
Відповідь
I2 = −0,1453 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: Is = 1,071 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.
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) = 12 ∥ 13 = 6,24 Ω
VA = 9·6,24/(5+6,24) = 4,996 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,996·8/13 = 3,075 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,996 − 0)/12 = 0,4164 A
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 = 3,529 Ω, тож лівий шлях — R2+3,529 = 8,529 Ω
Req = R4 ∥ 8,529 = 4,128 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,128 = 6,192 V
VA = VB·3,529/8,529 = 2,562 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (2,562 − 0)/12 = 0,2135 A
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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·8,529/16,53 = −15,48 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −15,48·3,529/8,529 = −6,406 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−6,406 − 0)/12 = −0,5338 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,4164 + 0,2135 + (−0,5338) = 0,09609 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 9,217 Ω
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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 4 = 9,217 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 11,42 W
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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 4 = 10,67 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) = 5,333 + (−3)·6,667 = −14,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −14,67 + (−3)·4 = −26,67 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) = −26,67/(10,67 + 3) = −1,951 A
PL = IL²·RL = −1,951²·3 = 11,42 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −3 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 V
I = V₋/R1 = −1/1 = −1 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1 + (−1)·2 = −3 V
Відповідь
Vout = −3 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,014 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 = 1,9/2 = 0,95 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/22 = 0,06364 mA
If = I1 + I2 = 1,014 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −1·1,014 = −1,014 V
Відповідь
Vout = −1,014 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 0,5508 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 = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 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 = 5·e−10/4,533 = 0,5508 V
Відповідь
vL = 0,5508 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 53,11 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.