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 AVs = 3 VR1 = 15 ΩR2 = 2 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 1,2 VV2 = 1,8 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.
Vs = 10 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 2,5 V, рівно через 10 ms після старту. При R = 2,2 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 10 msR = 2,2 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 3,833 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 2·22/(2+22) = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 2 + 1,833 = 3,833 Ω
Відповідь
Req = 3,833 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,496 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 = 12 + 15 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 9,643 Ω
R3 + 9,643 = 14,64 Ω
R2 ∥ 14,64 = 6,595 Ω
Req = R1 + 6,595 = 20 + 6,595 = 26,6 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/26,6 = 0,9024 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 0,9024·20 = 5,952 V
IR2 = VA/R2 = 5,952/12 = 0,496 A
Відповідь
IR2 = 0,496 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 0,8824 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 + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Розв’яжіть
VA/15 + (VA + 3)/2 = 2
VA = (2 − 3/2)/(1/15 + 1/2) = 0,8824 V
VB = 0,8824 + 3 = 3,882 V
Відповідь
VA = 0,8824 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = 0,1686 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 = 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/30 + (VA − 9)/25 + (VA − VB)/25 = 0
0,1133·VA − 0,04·VB = 0,36
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
6·I1 + 3(I1 − I2) = 6
9·I1 − 3·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 5·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (9)(5) − (−3)(−3) = 36
I1 = Δ1/Δ = −15/36 = −0,4167 A
I2 = Δ2/Δ = −117/36 = −3,25 A
Відповідь
IR2 = I2 = −3,25 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −4,725 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 36
27·I1 − 12·I2 = 36
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
5·I2 + 12(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 20·I2 − 3·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 + 3(I3 − I2) = (−24)
−3·I2 + 5·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1737
I1 = Δ1/Δ = 2412/1737 = 1,389 A
I2 = Δ2/Δ = 216/1737 = 0,1244 A
I3 = Δ3/Δ = −8208/1737 = −4,725 A
Відповідь
I3 = −4,725 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR4 = 4,908 W
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 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·17/(5+17) = 3,864 Ω
VA = 6·3,864/(2+3,864) = 3,953 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,953·12/17 = 2,791 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,791 − 0)/12 = 0,2326 A
Випадок 2 · діє лише Is
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ паралельний R₂. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ і шляхом через R₃. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R2 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 6,429 = 4,186 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·4,186 = −10,47 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −10,47·1,429/6,429 = −2,326 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = (−0,6395)²·12 = 4,908 W
Відповідь
PR4 = 4,908 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 9,776 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 17,4 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) = 30 ∥ 17 = 10,85 Ω
VA = 36·10,85/(20+10,85) = 12,66 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 12,66·12/17 = 8,938 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 = 12 Ω, тож лівий шлях — R2+12 = 17 Ω
Req = R4 ∥ 17 = 7,034 Ω
VB = −Is·Req = −4·7,034 = −28,14 V
VA = VB·12/17 = −19,86 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 = 12 Ω
VA‴ = V2·12/(12 + 5 + 12) = 0,4138·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 10 = 12 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) = 9·4/(4+4) = 4,5 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 = 4,5/12 = 0,375 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 3,667 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 30 = 31,76 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) = 21,18 + 3·1,765 = 26,47 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 26,47 + 3·30 = 116,5 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 = 116,5/31,76 = 3,667 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 5,957 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| = Rf/R1 = 4,7/2 = 2,35
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/2,35 = 5,957 V
Відповідь
Vin,max = 5,957 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,282 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 = 1,2/1 = 1,2 mA
I2 = V2/R2 = 1,8/22 = 0,08182 mA
If = I1 + I2 = 1,282 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −1·1,282 = −1,282 V
Відповідь
Vout = −1,282 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,5315 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.