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 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 4 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.
V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 0,7 VR1 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Вхідна напруга Vin = 0,55 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 10 VR = 15 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
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 = 150 ms.
Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 2,2 kΩC = 47 µFt = 150 ms
i2 = mA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,7317 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
Req = R1 + 4,235 = 3 + 4,235 = 7,235 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/7,235 = 1,382 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,382·3 = 5,854 V
IR2 = VA/R2 = 5,854/8 = 0,7317 A
Відповідь
IR2 = 0,7317 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 2,357 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 8,462 Ω
R3 + 8,462 = 16,46 Ω
R2 ∥ 16,46 = 1,783 Ω
Req = R1 + 1,783 = 2 + 1,783 = 3,783 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/3,783 = 2,643 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 2,643·2 = 4,714 V
IR2 = VA/R2 = 4,714/2 = 2,357 A
Відповідь
IR2 = 2,357 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 8,75 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 + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/12 + (VA + 5)/4 = 2,5
VA = (2,5 − 5/4)/(1/12 + 1/4) = 3,75 V
VB = 3,75 + 5 = 8,75 V
Відповідь
VB = 8,75 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 11,19 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
0,665·VA − 0,5·VB = 3,75
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 = 0,05·VA
−0,55·VA + 0,8333·VB = 0
Розв’яжіть
Δ = (0,665)(0,8333) − (−0,5)(−0,55) = 0,2792
VA = Δ1/Δ = 3,125/0,2792 = 11,19 V
VB = Δ2/Δ = 2,063/0,2792 = 7,388 V
Відповідь
VA = 11,19 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −0,4722 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 + 2(I1 − I2) = 24
10·I1 − 2·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
20·I2 + 2(I2 − I1) = (−15)
−2·I1 + 22·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (10)(22) − (−2)(−2) = 216
I1 = Δ1/Δ = 498/216 = 2,306 A
I2 = Δ2/Δ = −102/216 = −0,4722 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,4722 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = 6,238 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 30
11·I1 − 8·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
2·I2 + 8(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 14·I2 − 4·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
3·I3 + 4(I3 − I2) = (−6)
−4·I2 + 7·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 454
I1 = Δ1/Δ = 2268/454 = 4,996 A
I2 = Δ2/Δ = 1416/454 = 3,119 A
I3 = Δ3/Δ = 420/454 = 0,9251 A
Відповідь
IR2 = I2 = 3,119 A
VR2 = IR2·R2 = 3,119·2 = 6,238 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR4 = −15,77 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 = 20+10 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω
VA = 30·2,727/(15+2,727) = 4,615 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,615·10/30 = 1,538 V
VR4′ = VB − 0 = 1,538 − 0 = 1,538 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 22,5 = 6,923 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·6,923 = −17,31 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −17,31·2,5/22,5 = −1,923 V
VR4″ = VB − 0 = −17,31 − 0 = −17,31 V
Додайте складові
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 1,538 + (−17,31) = −15,77 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 8,507 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) = 8 ∥ 8 = 4 Ω
VA = 10·4/(15+4) = 2,105 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,105·5/8 = 1,316 V
VR2′ = VA − VB = 2,105 − 1,316 = 0,7895 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 = 5,217 Ω, тож лівий шлях — R2+5,217 = 8,217 Ω
Req = R4 ∥ 8,217 = 3,109 Ω
VB = Is·Req = (−2)·3,109 = −6,217 V
VA = VB·5,217/8,217 = −3,947 V
VR2″ = VA − VB = −3,947 − −6,217 = 2,27 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·8,217/13,22 = −14,92 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −14,92·5,217/8,217 = −9,474 V
VR2‴ = VA − VB = −9,474 − −14,92 = 5,447 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,7895 + 2,27 + 5,447 = 8,507 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 9 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 6 = 9 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 17,36 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 5 = 8 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 + (−5)·3 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−5)·5 = −25 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) = −25/(8 + 4) = −2,083 A
PL = IL²·RL = −2,083²·4 = 17,36 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,189 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₊ = 0,7 V
I = V₋/R1 = 0,7/4,7 = 0,1489 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,7 + 0,1489·10 = 2,189 V
Відповідь
Vout = 2,189 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,8 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 кожного каскаду
A1 = −Rf1/R1 = −1/1 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/22 = 1,455
Каскад за каскадом
V1 = −1·0,55 = −0,55 V
Vout = 1,455·(−0,55) = −0,8 V
Відповідь
Vout = −0,8 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,5179 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.
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.