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 = 1 AVs = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 20 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = −6 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = −1,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −8 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = −6 mA2·V1: I = −1,5 mA−Is: I = −8 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 25 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 2 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 30 ms.
Vs = 5 VR = 20 ΩL = 220 mHt = 30 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 10,8 V, рівно через 1000 ms після старту. При R = 2,2 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 1000 msR = 2,2 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 26,88 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 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 10·22/(10+22) = 6,875 Ω
Req = R1 + 6,875 = 20 + 6,875 = 26,88 Ω
Відповідь
Req = 26,88 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 8,237 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 = 5 + 8 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 6,964 Ω
R3 + 6,964 = 16,96 Ω
R2 ∥ 16,96 = 3,237 Ω
Req = R1 + 3,237 = 5 + 3,237 = 8,237 Ω
Відповідь
Req = 8,237 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 7,5 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/20 + (VA + 5)/20 = 1
VA = (1 − 5/20)/(1/20 + 1/20) = 7,5 V
VB = 7,5 + 5 = 12,5 V
Відповідь
VA = 7,5 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,07484 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 = 6 V, V2 = 24 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/5 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,3167·VA − 0,06667·VB = 0,3
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 + 20(I1 − I2) = 10
28·I1 − 20·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
8·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 28·I2 = −6
Розв’яжіть
Δ = (28)(28) − (−20)(−20) = 384
I1 = Δ1/Δ = 160/384 = 0,4167 A
I2 = Δ2/Δ = 32/384 = 0,08333 A
Відповідь
I1 = 0,4167 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 1,131 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 + 4(I1 − I2) = 9
7·I1 − 4·I2 = 9
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 + 4(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 35·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
5·I3 + 6(I3 − I2) = (−24)
−6·I2 + 11·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2267
I1 = Δ1/Δ = 2565/2267 = 1,131 A
I2 = Δ2/Δ = −612/2267 = −0,27 A
I3 = Δ3/Δ = −5280/2267 = −2,329 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,131 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR3 = −1,907 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.
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: I = 5,5 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 = −6
2·I₁ + I₂ + I₃ = −1,5
I₁ + I₂ − I₃ = −8
Знайдіть внески
I₁ = −1,5 − (−6) = 4,5 mA
I₃ = (−6 − (−8))/2 = 1 mA
I₂ = −6 − 4,5 − 1 = −11,5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 4,5 + 1 = 5,5 mA
Відповідь
I = 5,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 12,86 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 4 = 9,714 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) = 18·20/(8+20) = 12,86 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,09483 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 5 = 7,222 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) = 6,667 + (−0,5)·2,222 = 5,556 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,556 + (−0,5)·5 = 3,056 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) = 3,056/(7,222 + 25) = 0,09483 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 2,333 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
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 10/2 = 6
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/6 = 2,333 V
Відповідь
Vin,max = 2,333 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = −0,448 mA
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 = −0,9/2 = −0,45 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/100 = 0,002 mA
If = I1 + I2 = −0,448 mA
Відповідь
If = −0,448 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 0,327 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 = 220 mH / 20 Ω = 11 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 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 = 5·e−30/11 = 0,327 V
Відповідь
vL = 0,327 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 197,4 µF
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.