За методом накладання знайдіть потужність PR1, яку споживає R1.
V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 Ω
PR1 = W
8.Метод накладанняСкладна
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 3 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 5,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 3 mA2·V1: I = 5,5 mA−Is: I = −5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.
V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 1,2 VR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Вхідна напруга Vin = −0,65 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 100 ΩL = 47 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 9 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 5,69 V, рівно через 10 ms після старту. При C = 4,7 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 10 msC = 4,7 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,3429 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 = 10 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 10 + 7,5 = 17,5 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/17,5 = 0,3429 A
Відповідь
IR1 = 0,3429 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,341 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 4,118 Ω
R3 + 4,118 = 19,12 Ω
R2 ∥ 19,12 = 2,593 Ω
Req = R1 + 2,593 = 15 + 2,593 = 17,59 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/17,59 = 0,341 A
Відповідь
IR1 = 0,341 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,06667 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/8 + (VA − 12)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,3·VA − 0,125·VB = 0,6
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/12 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,2083·VB = 3
Розв’яжіть
Δ = (0,3)(0,2083) − (−0,125)(−0,125) = 0,04687
VA = Δ1/Δ = 0,5/0,04687 = 10,67 V
VB = Δ2/Δ = 0,975/0,04687 = 20,8 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 10,67)/20 = 0,06667 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 5,158 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 = −9 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/10 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,275·VA − 0,125·VB = 1,2
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/3 + (VB − VA)/8 + (VB − (−9))/8 = 1,5
−0,125·VA + 0,5833·VB = 0,375
Розв’яжіть
Δ = (0,275)(0,5833) − (−0,125)(−0,125) = 0,1448
VA = Δ1/Δ = 0,7469/0,1448 = 5,158 V
VB = Δ2/Δ = 0,2531/0,1448 = 1,748 V
Відповідь
VA = 5,158 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 1,5 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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 12
13·I1 − 10·I2 = 12
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
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−30)
−10·I1 + 16·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (13)(16) − (−10)(−10) = 108
I1 = Δ1/Δ = −108/108 = −1 A
I2 = Δ2/Δ = −270/108 = −2,5 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 1,5 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,9299 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
12·I1 + 20(I1 − I2) = 24
32·I1 − 20·I2 = 24
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 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 60·I2 − 10·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
6·I3 + 10(I3 − I2) = (−5)
−10·I2 + 16·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 21120
I1 = Δ1/Δ = 19640/21120 = 0,9299 A
I2 = Δ2/Δ = 6080/21120 = 0,2879 A
I3 = Δ3/Δ = −2800/21120 = −0,1326 A
Відповідь
I1 = 0,9299 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR1 = 20,18 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 = 4+3 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·7/(6+7) = 3,231 Ω
VA = 18·3,231/(2+3,231) = 11,12 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 11,12·3/7 = 4,765 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 11,12)/2 = 3,441 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 5,5 = 1,941 Ω
VB = Is·Req = 1·1,941 = 1,941 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 1,941·1,5/5,5 = 0,5294 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 0,5294)/2 = −0,2647 A
Додайте внески струму
IR1 = IR1′ + IR1″ = 3,441 + (−0,2647) = 3,176 A
Потужність у резисторі
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR1 = IR1²·R1 = 3,176²·2 = 20,18 W
Відповідь
PR1 = 20,18 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 23,82 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: I = 6,5 mA
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.
Запишіть вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 3
2·I₁ + I₂ + I₃ = 5,5
I₁ + I₂ − I₃ = −5
Знайдіть внески
I₁ = 5,5 − 3 = 2,5 mA
I₃ = (3 − (−5))/2 = 4 mA
I₂ = 3 − 2,5 − 4 = −3,5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 2,5 + 4 = 6,5 mA
Відповідь
I = 6,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 19 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 93,5 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 15 = 17,5 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) = 6 + 5·2,5 = 18,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,5 + 5·15 = 93,5 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 3,84 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₊ = 1,2 V
I = V₋/R1 = 1,2/10 = 0,12 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,2 + 0,12·22 = 3,84 V
Відповідь
Vout = 3,84 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 9,128 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 кожного каскаду
A1 = −Rf1/R1 = −22/4,7 = −4,681
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/1 = 3
Каскад за каскадом
V1 = −4,681·(−0,65) = 3,043 V
Vout = 3·3,043 = 9,128 V
Відповідь
Vout = 9,128 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 2,164 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.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 47 mH / 100 Ω = 0,47 ms
i(∞) = Vs/R = 5/100 = 0,05 A
Виразіть час
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −0,47·ln(0,01) = 2,164 ms
Відповідь
t = 2,164 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 2,127 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.