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 AVs = 4 VR1 = 2 ΩR2 = 3 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти вузлову напругу VB (відносно землі).
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 0,2 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.
Vin = 0,2 VR = 2,2 kΩC = 4,7 µFVsat = ±12 V
t = ms
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 10 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 40 ms.
Vs = 5 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 20 Vt = 40 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,235 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 = 6 + 15 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 3·21/(3+21) = 2,625 Ω
Req = R1 + 2,625 = 8 + 2,625 = 10,63 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/10,63 = 1,412 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,412·8 = 3,706 V
IR2 = VA/R2 = 3,706/3 = 1,235 A
Відповідь
IR2 = 1,235 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,2437 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 6,234 Ω
Req = R1 + 6,234 = 4 + 6,234 = 10,23 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/10,23 = 0,5863 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,5863·4 = 3,655 V
IR2 = VA/R2 = 3,655/15 = 0,2437 A
Відповідь
IR2 = 0,2437 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 3,6 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 + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/2 + (VA + 4)/3 = 1
VA = (1 − 4/3)/(1/2 + 1/3) = −0,4 V
VB = −0,4 + 4 = 3,6 V
Відповідь
VB = 3,6 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 8,603 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 = 18 V, V2 = 30 V). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 18)/10 + (VA − VB)/25 = 0
0,1733·VA − 0,04·VB = 1,8
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/5 + (VB − VA)/25 + (VB − 30)/20 = 0,5
−0,04·VA + 0,29·VB = 2
Розв’яжіть
Δ = (0,1733)(0,29) − (−0,04)(−0,04) = 0,04867
VA = Δ1/Δ = 0,602/0,04867 = 12,37 V
VB = Δ2/Δ = 0,4187/0,04867 = 8,603 V
Відповідь
VB = 8,603 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −0,3761 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
3·I1 + 4(I1 − I2) = 10
7·I1 − 4·I2 = 10
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 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 19·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (7)(19) − (−4)(−4) = 117
I1 = Δ1/Δ = 142/117 = 1,214 A
I2 = Δ2/Δ = −44/117 = −0,3761 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,3761 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −1,846 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 10
8·I1 − 5·I2 = 10
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 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 34·I2 − 25·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
12·I3 + 25(I3 − I2) = (−36)
−25·I2 + 37·I3 = −36
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4139
I1 = Δ1/Δ = 1830/4139 = 0,4421 A
I2 = Δ2/Δ = −5350/4139 = −1,293 A
I3 = Δ3/Δ = −7642/4139 = −1,846 A
Відповідь
I3 = −1,846 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR3 = −0,48 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 = 8+6 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·14/(15+14) = 7,241 Ω
VA = 24·7,241/(10+7,241) = 10,08 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,08·6/14 = 4,32 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (10,08 − 4,32)/8 = 0,72 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VB = Is·Req = 4·4,2 = 16,8 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 16,8·6/14 = 7,2 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (7,2 − 16,8)/8 = −1,2 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,72 + (−1,2) = −0,48 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 30 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) = 5 ∥ 60 = 4,615 Ω
VA = 6·4,615/(8+4,615) = 2,195 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,195·30/60 = 1,098 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 = 3,077 Ω, тож лівий шлях — R2+3,077 = 33,08 Ω
Req = R4 ∥ 33,08 = 15,73 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·15,73 = −39,33 V
VA = VB·3,077/33,08 = −3,659 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 = 3,077 Ω
VA‴ = V2·3,077/(30 + 30 + 3,077) = 0,04878·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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 3 = 11,57 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 3,916 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 = 2·30/(2+30) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 8 = 9,875 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) = 16,88 + 3·1,875 = 22,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,5 + 3·8 = 46,5 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) = 46,5/(9,875 + 2) = 3,916 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,4681 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.
Напруга на входах
Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = 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.
Вхідний струм і швидкість наростання
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
RC = 2,2 kΩ · 4,7 µF = 10,34 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −0,2/10,34 = −0,01934 V/ms
Час до насичення
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·10,34/0,2 = 620,4 ms
Відповідь
t = 620,4 ms
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,1916 A
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.
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.