Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 14,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 6 V і Is = 1 mA I = 11,7 mA; при Vs = 2 V і Is = 5 mA I = 2,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 6 V і Is = 3 mA.
6 V, 1 mA → 11,7 mA2 V, 5 mA → 2,5 mAVs = 6 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 2 VRa = 1 kΩRb = 1 kΩR1 = 1 kΩRf = 2 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 = 0,05 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Через котушку тече сталий струм 2,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 5 ms.
i(0) = 2,5 AR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vR = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 6,8 V? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,636 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 20·28/(20+28) = 11,67 Ω
Req = R1 + 11,67 = 3 + 11,67 = 14,67 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/14,67 = 1,636 A
Відповідь
IR1 = 1,636 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 4,046 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 = 30 + 3 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 7,674 Ω
R3 + 7,674 = 17,67 Ω
R2 ∥ 17,67 = 3,897 Ω
Req = R1 + 3,897 = 5 + 3,897 = 8,897 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/8,897 = 4,046 A
Відповідь
IR1 = 4,046 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = −8,113 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 = 9 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/10 + (VA − 9)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,3167·VA − 0,1667·VB = 0,45
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 для вузла A
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(14,5 − 10)/12 + 14,5/25 = (VB − 14,5)/8
0,955 = (VB − 14,5)/8 → VB = 22,14 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (22,14 − 14,5)/8 + 22,14/5 = 5,383 A
Відповідь
Is = 5,383 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −2,75 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 30
16·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
3·I2 + 4(I2 − I1) = (−24)
−4·I1 + 7·I2 = −24
Розв’яжіть
Δ = (16)(7) − (−4)(−4) = 96
I1 = Δ1/Δ = 114/96 = 1,188 A
I2 = Δ2/Δ = −264/96 = −2,75 A
Відповідь
I2 = −2,75 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = 0,1311 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
6·I1 + 6(I1 − I2) = 15
12·I1 − 6·I2 = 15
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 + 6(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 38·I2 − 2·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
4·I3 + 2(I3 − I2) = (−9)
−2·I2 + 6·I3 = −9
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2472
I1 = Δ1/Δ = 3252/2472 = 1,316 A
I2 = Δ2/Δ = 324/2472 = 0,1311 A
I3 = Δ3/Δ = −3600/2472 = −1,456 A
Відповідь
I2 = 0,1311 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 11,1 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 відгук як суму внесків
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу з коефіцієнтом, що залежить лише від резисторів.
I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 1·k₂ = 11,7
2·k₁ + 5·k₂ = 2,5
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (6)(5) − (1)(2) = 28
k₁ = Δ1/Δ = 56/28 = 2
k₂ = Δ2/Δ = −8,4/28 = −0,3
k₁ = 2 mA/V, k₂ = −0,3
Обчисліть новий струм
I = 2·6 + (−0,3)·3 = 11,1 mA
Відповідь
I = 11,1 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR4 = 2,115 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
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 4 ∥ 19 = 3,304 Ω
VA = 9·3,304/(2+3,304) = 5,607 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,607·4/19 = 1,18 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,18 − 0)/4 = 0,2951 A
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 = 1,333 Ω, тож лівий шлях — R2+1,333 = 16,33 Ω
Req = R4 ∥ 16,33 = 3,213 Ω
VB = Is·Req = 3·3,213 = 9,639 V
VA = VB·1,333/16,33 = 0,7869 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (9,639 − 0)/4 = 2,41 A
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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·16,33/20,33 = 9,639 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,639·1,333/16,33 = 0,7869 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (9,639 − 12)/4 = −0,5902 A
Додайте складові
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,2951 + 2,41 + (−0,5902) = 2,115 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,9231 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 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) = 24·6/(10+6) = 9 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 = 9/9,75 = 0,9231 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 53,33 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 30 = 33,33 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 + 1·3,333 = 23,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,33 + 1·30 = 53,33 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 3 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.
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 = −10/1 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/2 = 2
Каскад за каскадом
V1 = −10·0,05 = −0,5 V
Vout = 2·(−0,5) = −1 V
Відповідь
Vout = −1 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vR = 17,62 V
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
τ = L/R = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
Спадання струму
i(t) = 2,5·e−5/2,206 = 0,2591 A
vR = R·i = 68·0,2591 = 17,62 V
Відповідь
vR = 17,62 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 24,01 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
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.