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 = 1,5 AVs = 3 VR1 = 5 ΩR2 = 8 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 47 kΩRf = 100 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.
V1 = 2 VV2 = 1,7 VR1 = 10 kΩR2 = 100 kΩRf = 22 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 95% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 50 ΩL = 33 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 4,5 V, рівно через 25 ms після старту. При C = 100 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 9 VVth = 4,5 VT = 25 msC = 100 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,7895 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 = 20 + 5 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Req = R1 + 7,143 = 20 + 7,143 = 27,14 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/27,14 = 1,105 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,105·20 = 7,895 V
IR2 = VA/R2 = 7,895/10 = 0,7895 A
Відповідь
IR2 = 0,7895 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,2183 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 5,739 Ω
R3 + 5,739 = 30,74 Ω
R2 ∥ 30,74 = 15,18 Ω
Req = R1 + 15,18 = 8 + 15,18 = 23,18 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/23,18 = 0,4314 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,4314·8 = 6,549 V
IR2 = VA/R2 = 6,549/30 = 0,2183 A
Відповідь
IR2 = 0,2183 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 6,462 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/5 + (VA + 3)/8 = 1,5
VA = (1,5 − 3/8)/(1/5 + 1/8) = 3,462 V
VB = 3,462 + 3 = 6,462 V
Відповідь
VB = 6,462 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 25,74 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.
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 + 8(I1 − I2) = 24
20·I1 − 8·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
15·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 23·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (20)(23) − (−8)(−8) = 396
I1 = Δ1/Δ = 432/396 = 1,091 A
I2 = Δ2/Δ = −108/396 = −0,2727 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 1,364 A
VR3 = IR3·R3 = 1,364·8 = 10,91 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −0,7401 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
20·I1 + 25(I1 − I2) = 24
45·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 25(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 48·I2 − 3·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 + 3(I3 − I2) = (−18)
−3·I2 + 23·I3 = −18
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 34900
I1 = Δ1/Δ = 24930/34900 = 0,7143 A
I2 = Δ2/Δ = 11370/34900 = 0,3258 A
I3 = Δ3/Δ = −25830/34900 = −0,7401 A
Відповідь
I3 = −0,7401 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR2 = −0,6053 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 = 6+12 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·18/(12+18) = 7,2 Ω
VA = 10·7,2/(8+7,2) = 4,737 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,737·12/18 = 3,158 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 4,737)/12 = −0,3947 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 10,8 = 5,684 Ω
VB = Is·Req = 1·5,684 = 5,684 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,684·4,8/10,8 = 2,526 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 2,526)/12 = −0,2105 A
Додайте складові
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0,3947) + (−0,2105) = −0,6053 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 22 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) = 2 ∥ 28 = 1,867 Ω
VA = 30·1,867/(30+1,867) = 1,757 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,757·20/28 = 1,255 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 = 1,875 Ω, тож лівий шлях — R2+1,875 = 9,875 Ω
Req = R4 ∥ 9,875 = 6,611 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·6,611 = −16,53 V
VA = VB·1,875/9,875 = −3,138 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 = 1,875 Ω
VA‴ = V2·1,875/(20 + 8 + 1,875) = 0,06276·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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 8 = 11,43 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) = 12·6/(8+6) = 5,143 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) = 5,143/(11,43 + 3) = 0,3564 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 55,35 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 10 = 11,76 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) = 15,88 + (−6)·1,765 = 5,294 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,294 + (−6)·10 = −54,71 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) = −54,71/(11,76 + 25) = −1,488 A
PL = IL²·RL = −1,488²·25 = 55,35 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 4,476 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 + 100/47 = 3,128
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/3,128 = 4,476 V
Відповідь
Vin,max = 4,476 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = 0,217 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 = 2/10 = 0,2 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/100 = 0,017 mA
If = I1 + I2 = 0,217 mA
Відповідь
If = 0,217 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1,977 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 = 33 mH / 50 Ω = 0,66 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A
Виразіть час
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −0,66·ln(0,05) = 1,977 ms
Відповідь
t = 1,977 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 0,3607 kΩ
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.