Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 75% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 68 mH
t = ms
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 = 5 ms.
Vs = 6 VR1 = 22 ΩR2 = 5 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,4286 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 + 8 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 12 + 6,667 = 18,67 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/18,67 = 1,286 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,286·12 = 8,571 V
IR2 = VA/R2 = 8,571/20 = 0,4286 A
Відповідь
IR2 = 0,4286 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 10,71 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 = 25 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 2,7 Ω
R3 + 2,7 = 27,7 Ω
R2 ∥ 27,7 = 2,707 Ω
Req = R1 + 2,707 = 8 + 2,707 = 10,71 Ω
Відповідь
Req = 10,71 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 1,093 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). 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/12 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0,6333·VA − 0,5·VB = 0,3
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/8 + (VB − VA)/2 = (−5)
−0,5·VA + 0,625·VB = −5
Розв’яжіть
Δ = (0,6333)(0,625) − (−0,5)(−0,5) = 0,1458
VA = Δ1/Δ = −2,313/0,1458 = −15,86 V
VB = Δ2/Δ = −3,017/0,1458 = −20,69 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − −15,86)/20 = 1,093 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 10,96 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 = 24 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/2 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,9·VA − 0,06667·VB = 8
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/15 + (VB − VA)/15 + (VB − 24)/4 = 4
−0,06667·VA + 0,3833·VB = 10
Розв’яжіть
Δ = (0,9)(0,3833) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,3406
VA = Δ1/Δ = 3,733/0,3406 = 10,96 V
VB = Δ2/Δ = 9,533/0,3406 = 27,99 V
Відповідь
VA = 10,96 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −0,1957 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
5·I1 + 12(I1 − I2) = 9
17·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 12(I2 − I1) = (−9)
−12·I1 + 22·I2 = −9
Розв’яжіть
Δ = (17)(22) − (−12)(−12) = 230
I1 = Δ1/Δ = 90/230 = 0,3913 A
I2 = Δ2/Δ = −45/230 = −0,1957 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,1957 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR1 = 29,13 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, 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) = 36
10·I1 − 2·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
25·I2 + 2(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 30·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
10·I3 + 3(I3 − I2) = (−5)
−3·I2 + 13·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 3758
I1 = Δ1/Δ = 13686/3758 = 3,642 A
I2 = Δ2/Δ = 786/3758 = 0,2092 A
I3 = Δ3/Δ = −1264/3758 = −0,3363 A
Відповідь
IR1 = I1 = 3,642 A
VR1 = IR1·R1 = 3,642·8 = 29,13 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR4 = −0,6923 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 = 6+3 = 9 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
VA = 24·4,235/(8+4,235) = 8,308 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,308·3/9 = 2,769 V
VR4′ = VB − 0 = 2,769 − 0 = 2,769 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 10 = 2,308 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·2,308 = −3,462 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −3,462·4/10 = −1,385 V
VR4″ = VB − 0 = −3,462 − 0 = −3,462 V
Додайте складові
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2,769 + (−3,462) = −0,6923 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = −15,57 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 ∥ 13 = 9,07 Ω
VA = 18·9,07/(5+9,07) = 11,6 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,6·8/13 = 7,14 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 11,6 = −11,6 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 = 4,286 Ω, тож лівий шлях — R2+4,286 = 9,286 Ω
Req = R4 ∥ 9,286 = 4,298 Ω
VB = Is·Req = 0,5·4,298 = 2,149 V
VA = VB·4,286/9,286 = 0,9917 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 0,9917 = −0,9917 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 = 5·30/(5+30) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·9,286/17,29 = 6,446 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,446·4,286/9,286 = 2,975 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 2,975 = −2,975 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−11,6) + (−0,9917) + (−2,975) = −15,57 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,6 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 8 = 10 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) = 9·6/(3+6) = 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 = 6/10 = 0,6 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 37,86 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 = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 8 = 11,45 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) = 20,69 + 1,5·3,448 = 25,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25,86 + 1,5·8 = 37,86 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 0,5387 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 + 100/4,7 = 22,28
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/22,28 = 0,5387 V
Відповідь
Vin,max = 0,5387 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,113 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.
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 = 68 mH / 33 Ω = 2,061 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A
Виразіть час
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −2,061·ln(0,25) = 2,857 ms
Відповідь
t = 2,857 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,2627 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.