Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 10 V і Is = 5 mA I = 8,75 mA; при Vs = 20 V і Is = 1 mA I = 19,75 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 5 V і Is = 6 mA.
10 V, 5 mA → 8,75 mA20 V, 1 mA → 19,75 mAVs = 5 V, Is = 6 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Знайдіть значення джерела напруги V2 (полярність як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 10 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 3.
R1 = 22 kΩAv = 3
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = −0,4 VV2 = 2 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
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 = 6 VR = 50 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 3,75 V, рівно через 10 ms після старту. При C = 2,2 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 5 VVth = 3,75 VT = 10 msC = 2,2 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 18,88 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.
R3 + R4 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 6·11/(6+11) = 3,882 Ω
Req = R1 + 3,882 = 15 + 3,882 = 18,88 Ω
Відповідь
Req = 18,88 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,201 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 = 6 + 5 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 8,049 Ω
R3 + 8,049 = 10,05 Ω
R2 ∥ 10,05 = 1,668 Ω
Req = R1 + 1,668 = 15 + 1,668 = 16,67 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/16,67 = 1,44 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,44·15 = 2,402 V
IR2 = VA/R2 = 2,402/2 = 1,201 A
Відповідь
IR2 = 1,201 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 7,674 W
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 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 − 10)/12 + (VA − VB)/8 = 0
0,3083·VA − 0,125·VB = 0,8333
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/10 + (VB − VA)/8 = 1
−0,125·VA + 0,225·VB = 1
Розв’яжіть
Δ = (0,3083)(0,225) − (−0,125)(−0,125) = 0,05375
VA = Δ1/Δ = 0,3125/0,05375 = 5,814 V
VB = Δ2/Δ = 0,4125/0,05375 = 7,674 V
Потужність, яку віддає джерело струму
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 7,674·1 = 7,674 W
Відповідь
PIs = 7,674 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 9,017 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.
ЗСК для вузла A
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(15 − 10)/12 + 15/5 = (VB − 15)/12
3,417 = (VB − 15)/12 → VB = 56 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 = (56 − 15)/12 + 56/10 = 9,017 A
Відповідь
Is = 9,017 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −0,3261 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
4·I1 + 12(I1 − I2) = 30
16·I1 − 12·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
20·I2 + 12(I2 − I1) = (−30)
−12·I1 + 32·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (16)(32) − (−12)(−12) = 368
I1 = Δ1/Δ = 600/368 = 1,63 A
I2 = Δ2/Δ = −120/368 = −0,3261 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,3261 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR5 = 1,554 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 + 6(I1 − I2) = 9
18·I1 − 6·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 6(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 34·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
12·I3 + 3(I3 − I2) = (−24)
−3·I2 + 15·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8478
I1 = Δ1/Δ = 4077/8478 = 0,4809 A
I2 = Δ2/Δ = −486/8478 = −0,05732 A
I3 = Δ3/Δ = −13662/8478 = −1,611 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 1,554 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 3,5 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 відгук як суму внесків
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу з коефіцієнтом, що залежить лише від резисторів.
I = k₁·Vs + k₂·Is
10·k₁ + 5·k₂ = 8,75
20·k₁ + 1·k₂ = 19,75
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (10)(1) − (5)(20) = −90
k₁ = Δ1/Δ = −90/−90 = 1
k₂ = Δ2/Δ = 22,5/−90 = −0,25
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,25
Обчисліть новий струм
I = 1·5 + (−0,25)·6 = 3,5 mA
Відповідь
I = 3,5 mA
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 24,9 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) = 12 ∥ 21 = 7,636 Ω
VA = 12·7,636/(20+7,636) = 3,316 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,316·15/21 = 2,368 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 = 7,5 Ω, тож лівий шлях — R2+7,5 = 13,5 Ω
Req = R4 ∥ 13,5 = 7,105 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·7,105 = −17,76 V
VA = VB·7,5/13,5 = −9,868 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 = 7,5 Ω
VA‴ = V2·7,5/(15 + 6 + 7,5) = 0,2632·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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 5 = 9,286 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 1,537 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 30 = 31,76 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) = 1,176 + 1,5·1,765 = 3,824 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,824 + 1,5·30 = 48,82 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 = 48,82/31,76 = 1,537 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 44 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 = (3 − 1)·22 = 44 kΩ
Відповідь
Rf = 44 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,5362 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = −0,4/22 = −0,01818 mA
I2 = V2/R2 = 2/47 = 0,04255 mA
If = I1 + I2 = 0,02437 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −22·0,02437 = −0,5362 V
Відповідь
Vout = −0,5362 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 6,1 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 = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A
Виразіть час
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −4,4·ln(0,25) = 6,1 ms
Відповідь
t = 6,1 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 3,279 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.