Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 2 V і Is = 10 mA I = 4,4 mA; при Vs = 5 V і Is = 2 mA I = 6,4 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 2 V і Is = 8 mA.
2 V, 10 mA → 4,4 mA5 V, 2 mA → 6,4 mAVs = 2 V, Is = 8 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
За методом накладання знайдіть потужність PR2, яку споживає R2.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 5 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
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 1000 ms після старту. При C = 1 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 1000 msC = 1 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,1674 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 = 6 + 10 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 15 + 8,889 = 23,89 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/23,89 = 0,3767 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,3767·15 = 3,349 V
IR2 = VA/R2 = 3,349/20 = 0,1674 A
Відповідь
IR2 = 0,1674 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,8678 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 = 20 + 25 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 2,813 Ω
R3 + 2,813 = 6,813 Ω
R2 ∥ 6,813 = 3,19 Ω
Req = R1 + 3,19 = 6 + 3,19 = 9,19 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/9,19 = 1,632 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,632·6 = 5,207 V
IR2 = VA/R2 = 5,207/6 = 0,8678 A
Відповідь
IR2 = 0,8678 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 0,9147 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)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0,3917·VA − 0,1·VB = 2
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/5 + (VB − VA)/10 = 1
−0,1·VA + 0,3·VB = 1
Розв’яжіть
Δ = (0,3917)(0,3) − (−0,1)(−0,1) = 0,1075
VA = Δ1/Δ = 0,7/0,1075 = 6,512 V
VB = Δ2/Δ = 0,5917/0,1075 = 5,504 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 6,512)/6 = 0,9147 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = 12,85 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.
ЗСК для вузла A
Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3583·VA − 0,1667·VB = 2,25
ЗСК для вузла B
Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.
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
6·I1 + 15(I1 − I2) = 12
21·I1 − 15·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
20·I2 + 15(I2 − I1) = (−18)
−15·I1 + 35·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (21)(35) − (−15)(−15) = 510
I1 = Δ1/Δ = 150/510 = 0,2941 A
I2 = Δ2/Δ = −198/510 = −0,3882 A
Відповідь
I1 = 0,2941 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 1,093 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
2·I1 + 8(I1 − I2) = 9
10·I1 − 8·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
6·I2 + 8(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 44·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−5)
−30·I2 + 36·I3 = −5
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4536
I1 = Δ1/Δ = 4956/4536 = 1,093 A
I2 = Δ2/Δ = 1092/4536 = 0,2407 A
I3 = Δ3/Δ = 280/4536 = 0,06173 A
Відповідь
I1 = 1,093 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 4 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
2·k₁ + 10·k₂ = 4,4
5·k₁ + 2·k₂ = 6,4
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (2)(2) − (10)(5) = −46
k₁ = Δ1/Δ = −55,2/−46 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −9,2/−46 = 0,2
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = 0,2
Обчисліть новий струм
I = 1,2·2 + 0,2·8 = 4 mA
Відповідь
I = 4 mA
8.Метод накладання
Відповідь: PR2 = 5,159 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
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR2 = IR2²·R2 = 1,606²·2 = 5,159 W
Відповідь
PR2 = 5,159 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 9,324 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 18 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 20 = 23 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) = 24·12/(4+12) = 18 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 22,5 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 5 = 8,158 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) = 2,105 + 2,5·3,158 = 10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10 + 2,5·5 = 22,5 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,8 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₊ = −0,9 V
I = V₋/R1 = −0,9/100 = −0,009 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,9 + (−0,009)·100 = −1,8 V
Відповідь
Vout = −1,8 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = 0,3527 mA
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 = −0,9/100 = −0,009 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/4,7 = 0,3617 mA
If = I1 + I2 = 0,3527 mA
Відповідь
If = 0,3527 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,05206 A
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.
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.