Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,4·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 20,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 31 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −1,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 20,5 mA2·V1: I = 31 mA−Is: I = −1,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
До a–b підключено навантаження RL = 2 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 11.
R1 = 1 kΩAv = 11
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Через котушку тече сталий струм 3 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 1 ms.
i(0) = 3 AR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vR = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 30 ms.
Vs = 10 VR1 = 1 kΩR2 = 2,2 kΩC = 47 µFt = 30 ms
i2 = mA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 11,74 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 = 8 + 8 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7,742 Ω
Req = R1 + 7,742 = 4 + 7,742 = 11,74 Ω
Відповідь
Req = 11,74 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,4033 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 9,5 Ω
R2 ∥ 9,5 = 3,677 Ω
Req = R1 + 3,677 = 10 + 3,677 = 13,68 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/13,68 = 0,658 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,658·10 = 2,42 V
IR2 = VA/R2 = 2,42/6 = 0,4033 A
Відповідь
IR2 = 0,4033 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 36,26 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/12 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0,4333·VA − 0,25·VB = 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/10 + (VB − VA)/4 = 2
−0,25·VA + 0,35·VB = 2
Розв’яжіть
Δ = (0,4333)(0,35) − (−0,25)(−0,25) = 0,08917
VA = Δ1/Δ = 1,55/0,08917 = 17,38 V
VB = Δ2/Δ = 1,617/0,08917 = 18,13 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 = 18,13·2 = 36,26 W
Відповідь
PIs = 36,26 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 11,44 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.
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
0,9·VA − 0,3333·VB = 3
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 = 0,4·VA
−0,7333·VA + 0,3833·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,9)(0,3833) − (−0,3333)(−0,7333) = 0,1006
VA = Δ1/Δ = 1,15/0,1006 = 11,44 V
VB = Δ2/Δ = 2,2/0,1006 = 21,88 V
Відповідь
VA = 11,44 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = 0,1429 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
3·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 23·I2 = −6
Розв’яжіть
Δ = (32)(23) − (−20)(−20) = 336
I1 = Δ1/Δ = 156/336 = 0,4643 A
I2 = Δ2/Δ = 48/336 = 0,1429 A
Відповідь
I2 = 0,1429 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR4 = 11,4 V
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
30·I1 + 4(I1 − I2) = 15
34·I1 − 4·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
4·I2 + 4(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 28·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−30)
−20·I2 + 22·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 6992
I1 = Δ1/Δ = 840/6992 = 0,1201 A
I2 = Δ2/Δ = −19080/6992 = −2,729 A
I3 = Δ3/Δ = −26880/6992 = −3,844 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 2,849 A
VR4 = IR4·R4 = 2,849·4 = 11,4 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR3 = 18,17 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.
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR3 = IR3²·R3 = (−1,74)²·6 = 18,17 W
Відповідь
PR3 = 18,17 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 21,96 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: I = 21,5 mA
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.
Запишіть вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 20,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 31
I₁ + I₂ − I₃ = −1,5
Знайдіть внески
I₁ = 31 − 20,5 = 10,5 mA
I₃ = (20,5 − (−1,5))/2 = 11 mA
I₂ = 20,5 − 10,5 − 11 = −1 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 10,5 + 11 = 21,5 mA
Відповідь
I = 21,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,01 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 4 = 6,609 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) = 10·20/(3+20) = 8,696 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) = 8,696/(6,609 + 2) = 1,01 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 2,069 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 30 = 32,73 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) = 2,273 + 2·2,727 = 7,727 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,727 + 2·30 = 67,73 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 = 67,73/32,73 = 2,069 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 10 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (11 − 1)·1 = 10 kΩ
Відповідь
Rf = 10 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −5,53 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 = 1,3/4,7 = 0,2766 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/1 = 0,9 mA
If = I1 + I2 = 1,177 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −4,7·1,177 = −5,53 V
Відповідь
Vout = −5,53 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vR = 24,28 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
τ = L/R = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
Спадання струму
i(t) = 3·e−1/1 = 1,104 A
vR = R·i = 22·1,104 = 24,28 V
Відповідь
vR = 24,28 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i2 = 2,338 mA
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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.