Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 4 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 = 10 kΩRf = 22 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.
V1 = 1,1 VV2 = 1,7 VR1 = 4,7 kΩR2 = 2 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть сталу часу τ кола після замикання ключа.
Vs = 20 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 47 µF
τ = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Через який час після t = 0 струм котушки досягне 0,39 A? Знайдіть t.
Vs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩL = 33 mH
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,8571 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 = 4 + 20 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 15·24/(15+24) = 9,231 Ω
Req = R1 + 9,231 = 8 + 9,231 = 17,23 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/17,23 = 1,393 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,393·8 = 12,86 V
IR2 = VA/R2 = 12,86/15 = 0,8571 A
Відповідь
IR2 = 0,8571 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 16,33 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 13,21 Ω
R3 + 13,21 = 18,21 Ω
R2 ∥ 18,21 = 11,33 Ω
Req = R1 + 11,33 = 5 + 11,33 = 16,33 Ω
Відповідь
Req = 16,33 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 20,22 W
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 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/12 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/6 = 0
0,75·VA − 0,1667·VB = 6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/6 = 2
−0,1667·VA + 0,3667·VB = 2
Розв’яжіть
Δ = (0,75)(0,3667) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2472
VA = Δ1/Δ = 2,533/0,2472 = 10,25 V
VB = Δ2/Δ = 2,5/0,2472 = 10,11 V
Потужність, яку віддає джерело струму
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 10,11·2 = 20,22 W
Відповідь
PIs = 20,22 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 20,93 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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 6 V, V2 = 36 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 − 6)/30 + (VA − VB)/8 = 0
0,1917·VA − 0,125·VB = 0,2
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/20 + (VB − VA)/8 + (VB − 36)/25 = 2,5
−0,125·VA + 0,215·VB = 3,94
Розв’яжіть
Δ = (0,1917)(0,215) − (−0,125)(−0,125) = 0,02558
VA = Δ1/Δ = 0,5355/0,02558 = 20,93 V
VB = Δ2/Δ = 0,7802/0,02558 = 30,5 V
Відповідь
VA = 20,93 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR1 = 17,37 V
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
5·I1 + 4(I1 − I2) = 30
9·I1 − 4·I2 = 30
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 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 6·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (9)(6) − (−4)(−4) = 38
I1 = Δ1/Δ = 132/38 = 3,474 A
I2 = Δ2/Δ = 12/38 = 0,3158 A
Відповідь
IR1 = I1 = 3,474 A
VR1 = IR1·R1 = 3,474·5 = 17,37 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I3 = −3,641 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
2·I1 + 6(I1 − I2) = 18
8·I1 − 6·I2 = 18
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
10·I2 + 6(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 24·I2 − 8·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 + 8(I3 − I2) = (−30)
−8·I2 + 10·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1048
I1 = Δ1/Δ = 1728/1048 = 1,649 A
I2 = Δ2/Δ = −840/1048 = −0,8015 A
I3 = Δ3/Δ = −3816/1048 = −3,641 A
Відповідь
I3 = −3,641 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR2 = 0,7308 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 = 8+6 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
VA = 6·5,091/(2+5,091) = 4,308 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,308·6/14 = 1,846 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (4,308 − 0)/8 = 0,5385 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.
R1 ∥ R2 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 9,6 = 3,692 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,692 = 9,231 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,231·1,6/9,6 = 1,538 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1,538 − 0)/8 = 0,1923 A
Додайте складові
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,5385 + 0,1923 = 0,7308 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = 3,383 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) = 2 ∥ 45 = 1,915 Ω
VA = 12·1,915/(25+1,915) = 0,8538 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,8538·20/45 = 0,3794 V
VR3′ = VA − 0 = 0,8538 − 0 = 0,8538 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.
R1 ∥ R3 = 1,852 Ω, тож лівий шлях — R2+1,852 = 26,85 Ω
Req = R4 ∥ 26,85 = 11,46 Ω
VB = Is·Req = 2·11,46 = 22,92 V
VA = VB·1,852/26,85 = 1,581 V
VR3″ = VA − 0 = 1,581 − 0 = 1,581 V
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 = 25·2/(25+2) = 1,852 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·26,85/46,85 = 13,75 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 13,75·1,852/26,85 = 0,9486 V
VR3‴ = VA − 0 = 0,9486 − 0 = 0,9486 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 0,8538 + 1,581 + 0,9486 = 3,383 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 5,333 Ω
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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 2,061 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 30 = 32,67 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 + 2·2,667 = 7,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,333 + 2·30 = 67,33 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 = 67,33/32,67 = 2,061 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 6,364 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 = 22/10 = 2,2
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/2,2 = 6,364 V
Відповідь
Vin,max = 6,364 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = 1,084 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 = 1,1/4,7 = 0,234 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/2 = 0,85 mA
If = I1 + I2 = 1,084 mA
Відповідь
If = 1,084 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: τ = 42,73 ms
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.
Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора
Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 20·1/(10 + 1) = 1,818 V
Стала часу
τ = Rth·C = 0,9091·47 = 42,73 ms
Відповідь
τ = 42,73 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 0,5619 ms
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 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.