Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I3 у вітці 3, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.
Знайдіть значення джерела струму Is (напрямок як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.
V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = −2,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 0,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −4,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = −2,5 mA2·V1: I = 0,5 mA−Is: I = −4,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
До a–b підключено навантаження RL = 8 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 25.
R1 = 100 kΩAv = 25
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 20 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 25 ms.
Vs = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 25 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,9643 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 6 + 3,333 = 9,333 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/9,333 = 0,9643 A
Відповідь
IR1 = 0,9643 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 7,188 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.
R5 + R6 = 6 + 6 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 4,8 Ω
R3 + 4,8 = 8,8 Ω
R2 ∥ 8,8 = 3,188 Ω
Req = R1 + 3,188 = 4 + 3,188 = 7,188 Ω
Відповідь
Req = 7,188 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: I3 = 1,895 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.
ЗСК для вузла A
Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.
(VA − 18)/5 + (VA − (−18))/10 + (VA − 18)/3 = 0
Знайдіть VA
VA = (18/5 + (−18)/10 + 18/3) / (1/5 + 1/10 + 1/3) = 7,8/0,6333 = 12,32 V
Струм гілки
Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.
I3 = (18 − VA)/R3 = (18 − 12,32)/3 = 1,895 A
Відповідь
I3 = 1,895 A
Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 0,06305 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 = 9 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/30 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/4 = 0
0,4083·VA − 0,25·VB = 1,125
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)/4 + (VB − 18)/15 = 5
−0,25·VA + 0,5167·VB = 6,2
Розв’яжіть
Δ = (0,4083)(0,5167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1485
VA = Δ1/Δ = 2,131/0,1485 = 14,35 V
VB = Δ2/Δ = 2,813/0,1485 = 18,95 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (18,95 − 18)/15 = 0,06305 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,8675 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
15·I1 + 8(I1 − I2) = 24
23·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
2·I2 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 10·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (23)(10) − (−8)(−8) = 166
I1 = Δ1/Δ = 144/166 = 0,8675 A
I2 = Δ2/Δ = −84/166 = −0,506 A
Відповідь
I1 = 0,8675 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR4 = 2,419 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
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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 2(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 33·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−24)
−6·I2 + 26·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8116
I1 = Δ1/Δ = 19440/8116 = 2,395 A
I2 = Δ2/Δ = −192/8116 = −0,02366 A
I3 = Δ3/Δ = −7536/8116 = −0,9285 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 2,419 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: Is = 0,2812 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.
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.
Запишіть вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = −2,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 0,5
I₁ + I₂ − I₃ = −4,5
Знайдіть внески
I₁ = 0,5 − (−2,5) = 3 mA
I₃ = (−2,5 − (−4,5))/2 = 1 mA
I₂ = −2,5 − 3 − 1 = −6,5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 3 + 1 = 4 mA
Відповідь
I = 4 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,1734 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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 3 = 5,308 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) = 10·3/(10+3) = 2,308 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) = 2,308/(5,308 + 8) = 0,1734 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 2,556 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 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) = 3,333 + 2·2 = 7,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,333 + 2·4 = 15,33 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 = 15,33/6 = 2,556 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 2400 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 = (25 − 1)·100 = 2400 kΩ
Відповідь
Rf = 2400 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,4236 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 = −0,1/4,7 = −0,02128 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/22 = 0,06364 mA
If = I1 + I2 = 0,04236 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −10·0,04236 = −0,4236 V
Відповідь
Vout = −0,4236 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 0,1348 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 і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 20/50 = 0,4 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0,2 = 0,1348 V
Відповідь
vL = 0,1348 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 2,81 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.