Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).
Is = 2,5 AVs = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 5 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.
Vs = 6 VR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 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 напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.
Vs = 6 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 200 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,725 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 = 8·21/(8+21) = 5,793 Ω
Req = R1 + 5,793 = 8 + 5,793 = 13,79 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/13,79 = 0,725 A
Відповідь
IR1 = 0,725 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 3,192 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 6,97 Ω
R3 + 6,97 = 26,97 Ω
R2 ∥ 26,97 = 2,7 Ω
Req = R1 + 2,7 = 2 + 2,7 = 4,7 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/4,7 = 3,192 A
Відповідь
IR1 = 3,192 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 0,9375 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 + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/3 + (VA + 10)/5 = 2,5
VA = (2,5 − 10/5)/(1/3 + 1/5) = 0,9375 V
VB = 0,9375 + 10 = 10,94 V
Відповідь
VA = 0,9375 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 1,589 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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 12 V, V2 = −18 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/6 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,6167·VA − 0,2·VB = 3
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/15 + (VB − VA)/5 + (VB − (−18))/25 = 5
−0,2·VA + 0,3067·VB = 4,28
Розв’яжіть
Δ = (0,6167)(0,3067) − (−0,2)(−0,2) = 0,1491
VA = Δ1/Δ = 1,776/0,1491 = 11,91 V
VB = Δ2/Δ = 3,239/0,1491 = 21,72 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (21,72 − −18)/25 = 1,589 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 2,943 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 + 2(I1 − I2) = 12
5·I1 − 2·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
20·I2 + 2(I2 − I1) = (−24)
−2·I1 + 22·I2 = −24
Розв’яжіть
Δ = (5)(22) − (−2)(−2) = 106
I1 = Δ1/Δ = 216/106 = 2,038 A
I2 = Δ2/Δ = −96/106 = −0,9057 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 2,943 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,8246 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 + 5(I1 − I2) = 24
25·I1 − 5·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
8·I2 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 28·I2 − 15·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
15·I3 + 15(I3 − I2) = (−36)
−15·I2 + 30·I3 = −36
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 14625
I1 = Δ1/Δ = 12060/14625 = 0,8246 A
I2 = Δ2/Δ = −9900/14625 = −0,6769 A
I3 = Δ3/Δ = −22500/14625 = −1,538 A
Відповідь
I1 = 0,8246 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: Is = 1 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 = 12+4 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·16/(6+16) = 4,364 Ω
VA = 12·4,364/(12+4,364) = 3,2 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,2·4/16 = 0,8 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,2 − 0,8)/12 = 0,2 A
Випадок 2 · діє лише Is
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) = 15 ∥ 20 = 8,571 Ω
VA = 12·8,571/(30+8,571) = 2,667 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,667·12/20 = 1,6 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,6 − 0)/12 = 0,1333 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 = 10 Ω, тож лівий шлях — R2+10 = 18 Ω
Req = R4 ∥ 18 = 7,2 Ω
VB = Is·Req = 3·7,2 = 21,6 V
VA = VB·10/18 = 12 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (21,6 − 0)/12 = 1,8 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·18/30 = 18 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = 0,9333²·12 = 10,45 W
Відповідь
PR4 = 10,45 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 51,09 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 9 V
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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 8 = 12,8 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) = 15·12/(8+12) = 9 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 1,5 V
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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 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) = 18 + (−1,5)·6 = 9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9 + (−1,5)·5 = 1,5 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 23,5 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 = (6 − 1)·4,7 = 23,5 kΩ
Відповідь
Rf = 23,5 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −2,928 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 = 0,8/100 = 0,008 mA
I2 = V2/R2 = 1/47 = 0,02128 mA
If = I1 + I2 = 0,02928 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −100·0,02928 = −2,928 V
Відповідь
Vout = −2,928 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,07909 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.