Λύσεις των 18 Προβλημάτων προς λύση (μέθοδοι βρόχων/κόμβων, Thévenin/Norton, μέγιστη ισχύς, επαλληλία). Όλα τα αριθμητικά επαληθεύτηκαν υπολογιστικά· τα λυμένα παραδείγματα κάθε μεθόδου βρίσκονται στη θεωρία.
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος χρησιμοποιώντας τη Μ.Α.Β υπολογίστε α) την ισχύ που παρέχει στο κύκλωμα η πηγή των 100 (V) και β) την ισχύ που καταναλίσκεται στην αντίσταση των 15 (Ω). ((α) 491 W, β) 136,81 W) (Στο σχήμα: πηγή 100 V σε σειρά με 5 Ω· 40 Ω εγκάρσια· 10 Ω σε σειρά με 15 Ω στον δεξιό βρόχο.)
Πώς σκεφτόμαστε: Δύο απλοί βρόχοι: ο αριστερός (100 V, 5 Ω, 40 Ω) και ο δεξιός (40 Ω, 10 Ω, 15 Ω). Η 40 Ω είναι κοινή, άρα διαρρέεται από τη διαφορά των ρευμάτων βρόχων.
Λύση:
Απάντηση: α) ≈491 W, β) ≈136,7 W.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την τάση \(V_x\) χρησιμοποιώντας τη Μ.Α.Β. \((V_x=3{,}17V)\) (Στο σχήμα: αριστερός βρόχος με 15 Ω, 5 Ω, 10 Ω, πηγή 40 V (+ επάνω) στον μεσαίο κλάδο και πηγή 30 V (+ αριστερά) στην κάτω πλευρά· δεξιός βρόχος με 2 Ω (τάση \(V_x\)), 5 Ω, πηγή 15 V (+ επάνω) και τον κοινό μεσαίο κλάδο.)
Πώς σκεφτόμαστε: Δύο βρόχοι με κοινό κλάδο τα 10 Ω και την πηγή 40 V. Γράφουμε Ν.Τ.Κ. για τα δεξιόστροφα ρεύματα \(I_1\), \(I_2\) και βρίσκουμε το \(I_2\), που διαρρέει την 2 Ω.
Λύση:
Απάντηση: V_x ≈ 3,17 V.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την ισχύ της πηγής των 2(A), χρησιμοποιώντας τη Μ.Α.Β. \((P_{(2A)}=92{,}73\ W)\) (Στο σχήμα: πηγή 20 V (+ επάνω) σε σειρά με 40 Ω· 15 Ω εγκάρσια· στον δεξιό βρόχο πηγή ρεύματος 2 A (φορά προς τα δεξιά), 10 Ω και 5 Ω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Η πηγή ρεύματος ανήκει μόνο στον δεξιό βρόχο, οπότε το ρεύμα του δεξιού βρόχου είναι γνωστό: \(I_2=2\ A\). Γράφουμε Ν.Τ.Κ. μόνο για τον αριστερό βρόχο και μετά βρίσκουμε την τάση στα άκρα της πηγής ρεύματος.
Λύση:
Απάντηση: P(2A) ≈ 92,73 W (παρεχόμενη).
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την τάση \(V_{AB}\) χρησιμοποιώντας τη Μ.Α.Β και στη συνέχεια δείξτε ότι η παρεχόμενη ισχύς είναι ίση με την καταναλισκόμενη. \((68V,\ P_{ΠΑΡΕΧ.}=P_{ΚΑΤΑΝ.}=864W)\) (Στο σχήμα: πάνω βρόχος με εξαρτημένη πηγή τάσης \(V_x\) (− αριστερά, + δεξιά), 4 Ω, Α, 4 Ω και τη μεσαία 4 Ω (τάση \(V_x\), + αριστερά)· κάτω βρόχος με πηγή 100 V (+ επάνω), τη μεσαία 4 Ω, 4 Ω, πηγή 20 V (+ επάνω) προς το Β και 4 Ω στην κάτω πλευρά.)
Πώς σκεφτόμαστε: Δύο βρόχοι με κοινή τη μεσαία 4 Ω, της οποίας η τάση ελέγχει την εξαρτημένη πηγή. Εκφράζουμε το \(V_x\) με τα ρεύματα βρόχων, λύνουμε το σύστημα και υπολογίζουμε τα δυναμικά.
Λύση:
Απάντηση: V_AB = 68 V· P_παρεχ. = P_καταν. = 864 W.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την ισχύ που καταναλώνεται στην αντίσταση 1(Ω), χρησιμοποιώντας τη Μ.Α.Β καθώς επίσης και την ισχύ της πηγής ρεύματος \(2I_x\). \((P_{(1Ω)}=144W,\ P_{(2I_x)}=160V\) καταναλισκόμενη) (Στο σχήμα: πηγή 40 V (+ επάνω)· από τον πάνω κόμβο της, 5 Ω (ρεύμα \(I_x\)) και παράλληλα η εξαρτημένη πηγή ρεύματος \(2I_x\) (φορά προς τα δεξιά) προς τον δεξιό κόμβο· από αυτόν 1 Ω σε σειρά με πηγή 8 V (+ επάνω) προς τα κάτω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Το ρεύμα του δεξιού κλάδου (1 Ω) είναι το άθροισμα \(I_x+2I_x=3I_x\). Με Ν.Τ.Κ. στον βρόχο πηγή 40 V – 5 Ω – 1 Ω – 8 V βρίσκουμε το \(I_x\).
Λύση:
Απάντηση: P(1Ω) = 144 W, P(2Ix) = 160 W (καταναλισκόμενη).
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την ισχύ που καταναλώνεται στην αντίσταση των 10(Ω), χρησιμοποιώντας τη Μ.Κ. (Ρ(10Ω) = 1,1 W) (Στο σχήμα: κόμβος 1 με πηγή ρεύματος 2 A (προς τα επάνω), 1 Ω και 10 Ω προς τη γείωση· 5 Ω μεταξύ κόμβων 1 και 2· κόμβος 2 με πηγή ρεύματος 4 A (προς τα επάνω) και 5 Ω προς τη γείωση.)
Πώς σκεφτόμαστε: Δύο κόμβοι με άγνωστα δυναμικά \(V_1\), \(V_2\). Γράφουμε Ν.Ρ.Κ. σε κάθε κόμβο (εξερχόμενα ρεύματα = εισερχόμενο ρεύμα πηγής) και λύνουμε το σύστημα.
Λύση:
Απάντηση: P(10Ω) ≈ 1,1 W.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την τάση \(V_x\) χρησιμοποιώντας τη Μ.Κ. και στη συνέχεια την ισχύ της πηγής των 30V. \((V_x=4{,}286V,\ P_{(30V)}=34{,}29W\) παρεχόμενη) (Στο σχήμα: πηγή 30 V (+ επάνω)· από τον πάνω κόμβο της, κλάδος 10 Ω σε σειρά με πηγή 40 V (+ επάνω) προς τη γείωση και 2 Ω (τάση \(V_x\), + αριστερά) προς δεύτερο κόμβο· από αυτόν 5 Ω προς τη γείωση και πηγή ρεύματος 3 A προς τα επάνω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Ο αριστερός κόμβος έχει δυναμικό 30 V από την πηγή· άγνωστο είναι μόνο το \(V_2\). Μετά βρίσκουμε το ρεύμα της πηγής 30 V με Ν.Ρ.Κ. στον κόμβο της.
Λύση:
Απάντηση: V_x ≈ 4,286 V, P(30V) ≈ 34,29 W (παρεχόμενη).
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την ισχύ της εξαρτημένης πηγής τάσης, χρησιμοποιώντας τη Μ.Κ. (απορροφά 1346,68 W) (Στο σχήμα: πηγή 500 V (+ επάνω) σε σειρά με 5 Ω προς τον κόμβο 1· από τον κόμβο 1, 100 Ω προς τη γείωση (ρεύμα \(I_x\) προς τα επάνω) και 10 Ω προς τον κόμβο 2· από τον κόμβο 2, κλάδος 4 Ω σε σειρά με εξαρτημένη πηγή τάσης \(18{,}8I_x\) (− επάνω, + κάτω) και 50 Ω προς τη γείωση.)
Πώς σκεφτόμαστε: Άγνωστα δυναμικά \(V_1\), \(V_2\). Το \(I_x\) (προς τα επάνω στην 100 Ω) εκφράζεται ως \(I_x=-V_1/100\). Ο κλάδος της εξαρτημένης πηγής έχει ρεύμα προς τα κάτω \((V_2+18{,}8I_x)/4\).
Λύση:
Απάντηση: Η εξαρτημένη πηγή απορροφά ≈1346,68 W.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την τάση \(V_x\) χρησιμοποιώντας τη Μ.Κ. και στη συνέχεια την ισχύ της πηγής των 100 V. \((V_x=50V,\ P_{(100V)}=2000W\) αποδιδόμενη) (Στο σχήμα: πηγή 100 V παράλληλα με 10 Ω (ρεύμα \(I_x\) προς τα κάτω)· από τον κόμβο της πηγής, 5 Ω (τάση \(V_x\)) προς δεύτερο κόμβο, από τον οποίο ξεκινούν προς τη γείωση ο κλάδος 2 Ω σε σειρά με την εξαρτημένη πηγή τάσης \(5I_x\) (+ επάνω) και η αντίσταση 5 Ω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Με τη μέθοδο κόμβων (Μ.Κ.): ο κόμβος 1 έχει δυναμικό 100 V (επιβάλλεται από την πηγή), οπότε άγνωστο μένει μόνο το δυναμικό \(V_2\) του δεύτερου κόμβου. Το ελεγχόμενο μέγεθος \(I_x\) εκφράζεται από το \(V_1\): \(I_x=V_1/10\).
Λύση:
Απάντηση: V_x = 50 V, P(100V) = 2000 W (αποδιδόμενη).
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε το ισοδύναμο κατά Thevenin και Norton κύκλωμα. \((R_{TH}=20Ω,\ V_{TH}=55V,\ I_N=2{,}75A)\) (Στο σχήμα: πηγή ρεύματος 1 A (φορά προς τα κάτω) παράλληλα με 10 Ω· 20 Ω προς τον μεσαίο κόμβο, από τον οποίο 30 Ω σε σειρά με πηγή 20 V (− επάνω) πηγαίνουν στη γείωση και 5 Ω οδηγούν στον ακροδέκτη Α· ο ακροδέκτης Β συνδέεται στη γείωση μέσω πηγής 40 V (+ επάνω).)
Πώς σκεφτόμαστε: Βρίσκουμε \(V_{TH}\)=τάση ανοικτού Α–Β, \(R_{TH}\)=αντίσταση με μηδενισμένες τις ανεξάρτητες πηγές (τάσης→βραχυ, ρεύματος→ανοικτό), και \(I_N=V_{TH}/R_{TH}\).
Λύση:
Απάντηση: R_TH=20 Ω, V_TH=55 V, I_N=2,75 A.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε το ισοδύναμο κατά Thevenin και Norton κύκλωμα. \((R_{TH}=2{,}43Ω,\ V_{TH}=52{,}17V,\ I_N=21{,}428A)\) (Στο σχήμα: βρόχος με πηγή 100 V (+ επάνω), εξαρτημένη πηγή τάσης \(2V_x\) (− αριστερά, + δεξιά), 2 Ω, 5 Ω, 4 Ω, πηγή 20 V (+ επάνω) και 4 Ω (τάση \(V_x\), + αριστερά)· ο ακροδέκτης Α είναι στον κόμβο της πηγής 100 V και ο Β μεταξύ των 5 Ω και 4 Ω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Με εξαρτημένη πηγή, η \(R_{TH}\) δεν βρίσκεται με απλό μηδενισμό· χρησιμοποιούμε τη μέθοδο της δοκιμαστικής πηγής (ή \(R_{TH}=V_{oc}/I_{sc}\)). Το \(V_x\) εκφράζεται με τους αγνώστους.
Λύση:
Απάντηση: R_TH=2,43 Ω, V_TH=52,17 V, I_N=21,428 A.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Να υπολογισθεί η ισχύς στη μη γραμμική αντίσταση του παρακάτω κυκλώματος, της οποίας η χαρακτηριστική καμπύλη δίνεται στο διπλανό σχήμα. (5,0 μW) (Στο σχήμα: η R συνδέεται μεταξύ δύο κλάδων· ο πάνω κλάδος έχει 4 KΩ, πηγή 12 V και 6 KΩ, ο κάτω κλάδος 3 KΩ, πηγή 9 V και 5 KΩ.)
Πώς σκεφτόμαστε: Απομονώνουμε τη μη γραμμική R και βρίσκουμε το ισοδύναμο Thévenin του υπολοίπου. Η λύση προκύπτει από την τομή της ευθείας φορτίου (Thévenin) με τη χαρακτηριστική καμπύλη i–v της R.
Λύση:
Απάντηση: P ≈ 5,0 μW.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την αντίσταση \(R_L\) για μέγιστη ισχύ καθώς επίσης και τη μέγιστη ισχύ. \((R_L=20Ω,\ P_{max}=312{,}5\ mW)\) (Στο σχήμα: πηγή ρεύματος 2 A παράλληλα με 5 Ω· 15 Ω προς κόμβο από τον οποίο ξεκινούν ο κλάδος 10 Ω – πηγή 10 V (+ επάνω) – Δ – \(R_L\) – Β και ο κλάδος πηγή 20 V (+ επάνω) – 20 Ω προς τη γείωση Β.)
Πώς σκεφτόμαστε: Απομονώνουμε την \(R_L\), βρίσκουμε το ισοδύναμο Thévenin (\(V_{TH}\), \(R_{TH}\)) του υπολοίπου. Μέγιστη ισχύς όταν \(R_L=R_{TH}\), με \(P_{max}=V_{TH}^2/(4R_{TH})\).
Λύση:
Απάντηση: R_L = 20 Ω, P_max = 312,5 mW.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την τάση \(V_x\), χρησιμοποιώντας το θεώρημα επαλληλίας. \((V_x=10V)\) (Στο σχήμα: κόμβος 1 με 2 Ω σε σειρά με πηγή 16 V (+ επάνω) προς τη γείωση· 4 Ω μεταξύ κόμβων 1 και 2, και παράλληλα με αυτή πηγή ρεύματος 8 A με φορά από τον κόμβο 2 προς τον κόμβο 1· στον κόμβο 2 η αντίσταση 6 Ω (τάση \(V_x\)) και πηγή ρεύματος 6 A προς τα επάνω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Ενεργοποιούμε μία ανεξάρτητη πηγή τη φορά (τις άλλες μηδενίζουμε: τάσης→βραχύ, ρεύματος→ανοικτό), υπολογίζουμε τη συνεισφορά κάθε πηγής στη \(V_x\), και τις αθροίζουμε αλγεβρικά.
Λύση:
Απάντηση: V_x = 10 V.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την τάση \(V_0\) και το ρεύμα \(I_0\), εφαρμόζοντας την αρχή της επαλληλίας. \((V_0=12V,\ I_0=4A)\) (Στο σχήμα: 2 Ω (τάση \(V_x\), + επάνω) από τον πάνω αριστερό κόμβο στη γείωση· πηγή 4 V (+ αριστερά) προς τον μεσαίο κόμβο· από αυτόν 1 Ω σε σειρά με πηγή ρεύματος 2 A (προς τα επάνω) στη γείωση και 3 Ω (τάση \(V_0\), + αριστερά, ρεύμα \(I_0\)) προς την εξαρτημένη πηγή τάσης \(5V_x\) (+ επάνω).)
Πώς σκεφτόμαστε: Με εξαρτημένη πηγή, η επαλληλία εφαρμόζεται στις ανεξάρτητες πηγές (4V και 2A)· η εξαρτημένη \(5V_x\) παραμένει πάντα ενεργή σε κάθε επιμέρους κύκλωμα.
Λύση:
Απάντηση: V_0 = 12 V, I_0 = 4 A.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την ισχύ που καταναλώνεται σε κάθε αντίσταση. (αντιστάσεις των 5(Ω): 500W, αντιστάσεις των 3(Ω): 300W, σε όλες τις άλλες η ισχύς είναι 0 W) (Στο σχήμα: δύο πηγές 80 V (+ επάνω) στα άκρα· 20 Ω συνδέει τους πάνω κόμβους τους· 5 Ω – 4 Ω – 5 Ω στη μεσαία γραμμή, με 3 Ω από κάθε ενδιάμεσο κόμβο προς τα κάτω· 10 Ω συνδέει τα κάτω σημεία.)
Πώς σκεφτόμαστε: Η συμμετρία του κυκλώματος (δύο ίσες πηγές 80V ομόπολες) εξασφαλίζει ότι από τους κλάδους-γέφυρες (20Ω, 4Ω, 10Ω) δεν περνά ρεύμα. Έτσι κάθε πλευρά ανάγεται σε απλή σειρά 5Ω+3Ω.
Λύση:
Απάντηση: Κάθε 5Ω: 500 W· κάθε 3Ω: 300 W· 20Ω, 4Ω, 10Ω: 0 W (λόγω συμμετρίας).
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε την ισχύ που καταναλώνεται σε κάθε αντίσταση. (P(10Ω) = 1000W, Ρ(5Ω) = 500W, Ρ(6Ω) = 0W) (Στο σχήμα: πηγή 50 V αριστερά με + επάνω, πηγή 50 V δεξιά με + κάτω· 10 Ω μεταξύ των πάνω κόμβων· δύο 5 Ω προς τον μεσαίο κόμβο και 6 Ω από αυτόν προς τα κάτω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Οι δύο πηγές είναι αντίθετα πολωμένες, οπότε ο άνω δεξιός κόμβος είναι στα −50V. Το 10Ω βλέπει 100V· ο κεντρικός κόμβος (λόγω αντισυμμετρίας) είναι στα 0V, οπότε από το 6Ω δεν περνά ρεύμα.
Λύση:
Απάντηση: P₁₀Ω = 1000 W, κάθε P₅Ω = 500 W, P₆Ω = 0 W.
Πρόσεξε:
Εκφώνηση: Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βρείτε ισχύ που καταναλώνεται σε κάθε αντίσταση. (Ρ(10Ω) = 360W, Ρ(20Ω) = 193,44W, Ρ(5Ω, αρ.) = 285,01W, Ρ(5Ω, δεξ.) = 98,57W) (Στο σχήμα: πηγή 100 V αριστερά και πηγή 40 V δεξιά, και οι δύο με + επάνω· 10 Ω μεταξύ των πάνω κόμβων· δύο 5 Ω προς τον μεσαίο κόμβο και 20 Ω από αυτόν προς τα κάτω.)
Πώς σκεφτόμαστε: Με μέθοδο κόμβων: ο άνω αριστερός κόμβος στα 100V, ο άνω δεξιός στα 40V. Βρίσκουμε την τάση \(V_c\) του κεντρικού κόμβου και μετά τις ισχείς.
Λύση:
Απάντηση: P₁₀Ω = 360 W, P₂₀Ω ≈ 193,58 W, P₅Ω(αρ) ≈ 285,43 W, P₅Ω(δεξ) ≈ 98,77 W.
Πρόσεξε: