Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 31.
R1 = 47 kΩAv = 31
Rf = kΩ
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. Знайдіть загальний коефіцієнт підсилення за напругою Av = Vout/Vin.
R1 = 2 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf2 = 4,7 kΩ
Av =
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.
Vs = 10 VR = 5 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 15,8 V? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,6493 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 2·27/(2+27) = 1,862 Ω
Req = R1 + 1,862 = 12 + 1,862 = 13,86 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/13,86 = 0,6493 A
Відповідь
IR1 = 0,6493 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 22,51 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 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7,143 Ω
R3 + 7,143 = 22,14 Ω
R2 ∥ 22,14 = 10,51 Ω
Req = R1 + 10,51 = 12 + 10,51 = 22,51 Ω
Відповідь
Req = 22,51 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,6885 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/2 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/12 = 0
0,7833·VA − 0,08333·VB = 1,2
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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 30 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/3 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/4 = 0
0,7083·VA − 0,25·VB = 3,75
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/8 + (VB − VA)/4 + (VB − (−24))/25 = 3
−0,25·VA + 0,415·VB = 2,04
Розв’яжіть
Δ = (0,7083)(0,415) − (−0,25)(−0,25) = 0,2315
VA = Δ1/Δ = 2,066/0,2315 = 8,927 V
VB = Δ2/Δ = 2,382/0,2315 = 10,29 V
Відповідь
VB = 10,29 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = −0,07595 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
8·I1 + 5(I1 − I2) = 18
13·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 8·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (13)(8) − (−5)(−5) = 79
I1 = Δ1/Δ = −6/79 = −0,07595 A
I2 = Δ2/Δ = −300/79 = −3,797 A
Відповідь
IR1 = I1 = −0,07595 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 0,1912 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
30·I1 + 25(I1 − I2) = 10
55·I1 − 25·I2 = 10
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
3·I2 + 25(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 38·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
2·I3 + 10(I3 − I2) = (−5)
−10·I2 + 12·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 12080
I1 = Δ1/Δ = 2310/12080 = 0,1912 A
I2 = Δ2/Δ = 250/12080 = 0,0207 A
I3 = Δ3/Δ = −4825/12080 = −0,3994 A
Відповідь
IR1 = I1 = 0,1912 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR4 = −1,254 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 = 8+5 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
VA = 9·6,964/(4+6,964) = 5,717 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,717·5/13 = 2,199 V
VR4′ = VB − 0 = 2,199 − 0 = 2,199 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 11,16 = 3,453 Ω
VB = Is·Req = (−1)·3,453 = −3,453 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −3,453·3,158/11,16 = −0,9772 V
VR4″ = VB − 0 = −3,453 − 0 = −3,453 V
Додайте складові
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2,199 + (−3,453) = −1,254 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 50 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) = 5 ∥ 28 = 4,242 Ω
VA = 10·4,242/(4+4,242) = 5,147 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,147·20/28 = 3,676 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R3 = 2,222 Ω, тож лівий шлях — R2+2,222 = 10,22 Ω
Req = R4 ∥ 10,22 = 6,765 Ω
VB = −Is·Req = −6·6,765 = −40,59 V
VA = VB·2,222/10,22 = −8,824 V
Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 2,222 Ω
VA‴ = V2·2,222/(20 + 8 + 2,222) = 0,07353·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 10 = 15,22 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) = 15·15/(8+15) = 9,783 V
Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена
Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 9,783/(15,22 + 10) = 0,3879 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 2,404 W
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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 3 = 6,529 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) = 1,765 + 1·3,529 = 5,294 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,294 + 1·3 = 8,294 V
Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена
Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 8,294/(6,529 + 12) = 0,4476 A
PL = IL²·RL = 0,4476²·12 = 2,404 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 1410 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (31 − 1)·47 = 1410 kΩ
Відповідь
Rf = 1410 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Av = −5,7
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 = −2/2 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/1 = 5,7
Загальний коефіцієнт підсилення
Av = A1·A2 = −1·5,7 = −5,7
Відповідь
Av = −5,7
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W(∞) = 66 mJ
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 = 33 mH / 5 Ω = 6,6 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A
Накопичена енергія
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·2² = 66 mJ
Відповідь
W(∞) = 66 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 36,88 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.