Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 0,1 VR1 = 2 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
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 = 0,6 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 200 ms.
Через котушку тече сталий струм 2,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.
i(0) = 2,5 AR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 9 V, рівно через 25 ms після старту. При C = 47 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 25 msC = 47 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,432 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 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Req = R1 + 2,727 = 20 + 2,727 = 22,73 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/22,73 = 0,792 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,792·20 = 2,16 V
IR2 = VA/R2 = 2,16/5 = 0,432 A
Відповідь
IR2 = 0,432 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,018 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 1,81 Ω
R3 + 1,81 = 4,81 Ω
R2 ∥ 4,81 = 3,433 Ω
Req = R1 + 3,433 = 5 + 3,433 = 8,433 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/8,433 = 3,557 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 3,557·5 = 12,21 V
IR2 = VA/R2 = 12,21/12 = 1,018 A
Відповідь
IR2 = 1,018 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,1167 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). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/10 + (VA − 12)/15 + (VA − VB)/15 = 0
0,2333·VA − 0,06667·VB = 0,8
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 = 10 V, V2 = −6 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/8 + (VA − 10)/5 + (VA − VB)/8 = 0
0,45·VA − 0,125·VB = 2
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/2 + (VB − VA)/8 + (VB − (−6))/10 = (−0,5)
−0,125·VA + 0,725·VB = −1,1
Розв’яжіть
Δ = (0,45)(0,725) − (−0,125)(−0,125) = 0,3106
VA = Δ1/Δ = 1,313/0,3106 = 4,225 V
VB = Δ2/Δ = −0,245/0,3106 = −0,7887 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (−0,7887 − −6)/10 = 0,5211 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −1,931 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 + 10(I1 − I2) = 10
18·I1 − 10·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
2·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 12·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (18)(12) − (−10)(−10) = 116
I1 = Δ1/Δ = −60/116 = −0,5172 A
I2 = Δ2/Δ = −224/116 = −1,931 A
Відповідь
I2 = −1,931 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = −4,65 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 + 10(I1 − I2) = 6
30·I1 − 10·I2 = 6
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
30·I2 + 10(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 45·I2 − 5·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
2·I3 + 5(I3 − I2) = (−30)
−5·I2 + 7·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8000
I1 = Δ1/Δ = 240/8000 = 0,03 A
I2 = Δ2/Δ = −4080/8000 = −0,51 A
I3 = Δ3/Δ = −37200/8000 = −4,65 A
Відповідь
IR3 = I3 = −4,65 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 19,51 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 = 8+8 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
VA = 30·3,81/(4+3,81) = 14,63 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 14,63·8/16 = 7,317 V
VR2′ = VA − 0 = 14,63 − 0 = 14,63 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 10,22 = 4,488 Ω
VB = Is·Req = 5·4,488 = 22,44 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 22,44·2,222/10,22 = 4,878 V
VR2″ = VA − 0 = 4,878 − 0 = 4,878 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 14,63 + 4,878 = 19,51 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 10 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) = 6 ∥ 35 = 5,122 Ω
VA = 12·5,122/(12+5,122) = 3,59 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,59·30/35 = 3,077 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 = 4 Ω, тож лівий шлях — R2+4 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 6,923 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·6,923 = −10,38 V
VA = VB·4/9 = −4,615 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 = 4 Ω
VA‴ = V2·4/(30 + 5 + 4) = 0,1026·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
VA′ + VA″ + VA‴ = 3,59 + (−4,615) + 0,1026·V2 = 0
V2 = 1,026/0,1026 = 10 V
Відповідь
V2 = 10 V
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,1452 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 20 = 24,8 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) = 6·12/(8+12) = 3,6 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 = 3,6/24,8 = 0,1452 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = −20 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 2 = 4,4 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) = 2 + (−5)·2,4 = −10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10 + (−5)·2 = −20 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 1,2 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₊ = 0,1 V
I = V₋/R1 = 0,1/2 = 0,05 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,1 + 0,05·22 = 1,2 V
Відповідь
Vout = 1,2 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,161 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 = 22 kΩ · 4,7 µF = 103,4 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −0,6/103,4 = −0,005803 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −0,6·200/103,4 = −1,161 V
Відповідь
Vout = −1,161 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,5218 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
τ = L/R = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
Спадання струму
i(t) = 2,5·e−5/3,191 = 0,5218 A
Відповідь
i = 0,5218 A
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 0,5805 kΩ
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.