Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 8 V і Is = 5 mA I = 12,1 mA; при Vs = 15 V і Is = 3 mA I = 19,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 15 V і Is = 1 mA.
8 V, 5 mA → 12,1 mA15 V, 3 mA → 19,5 mAVs = 15 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 22 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = 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 = 0,3 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Через котушку тече сталий струм 1,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,3 A? Знайдіть t.
i(0) = 1,5 AR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 300 ms.
Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 Vt = 300 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 23,23 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 6·7/(6+7) = 3,231 Ω
Req = R1 + 3,231 = 20 + 3,231 = 23,23 Ω
Відповідь
Req = 23,23 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 3,156 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 9,756 Ω
R3 + 9,756 = 17,76 Ω
R2 ∥ 17,76 = 9,406 Ω
Req = R1 + 9,406 = 2 + 9,406 = 11,41 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/11,41 = 3,156 A
Відповідь
IR1 = 3,156 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 23,42 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). 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 − 24)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,5833·VA − 0,125·VB = 8
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/20 + (VB − VA)/8 = 5
−0,125·VA + 0,175·VB = 5
Розв’яжіть
Δ = (0,5833)(0,175) − (−0,125)(−0,125) = 0,08646
VA = Δ1/Δ = 2,025/0,08646 = 23,42 V
VB = Δ2/Δ = 3,917/0,08646 = 45,3 V
Відповідь
VA = 23,42 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 0,2375 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
(5,5 − 15)/20 + 5,5/20 = (VB − 5,5)/10
−0,2 = (VB − 5,5)/10 → VB = 3,5 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 = (3,5 − 5,5)/10 + 3,5/8 = 0,2375 A
Відповідь
Is = 0,2375 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = −17,37 V
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) = 9
21·I1 − 15·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 15(I2 − I1) = (−30)
−15·I1 + 27·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (21)(27) − (−15)(−15) = 342
I1 = Δ1/Δ = −207/342 = −0,6053 A
I2 = Δ2/Δ = −495/342 = −1,447 A
Відповідь
IR2 = I2 = −1,447 A
VR2 = IR2·R2 = −1,447·12 = −17,37 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR4 = 20,56 V
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
3·I1 + 20(I1 − I2) = 24
23·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
2·I2 + 20(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 30·I2 − 8·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 + 8(I3 − I2) = (−30)
−8·I2 + 12·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2008
I1 = Δ1/Δ = 2304/2008 = 1,147 A
I2 = Δ2/Δ = 240/2008 = 0,1195 A
I3 = Δ3/Δ = −4860/2008 = −2,42 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 1,028 A
VR4 = IR4·R4 = 1,028·20 = 20,56 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 18,5 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
8·k₁ + 5·k₂ = 12,1
15·k₁ + 3·k₂ = 19,5
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (8)(3) − (5)(15) = −51
k₁ = Δ1/Δ = −61,2/−51 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −25,5/−51 = 0,5
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = 0,5
Обчисліть новий струм
I = 1,2·15 + 0,5·1 = 18,5 mA
Відповідь
I = 18,5 mA
8.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 6 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 ∥ 20 = 7,5 Ω
VA = 30·7,5/(12+7,5) = 11,54 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,54·8/20 = 4,615 V
VR2′ = VA − VB = 11,54 − 4,615 = 6,923 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.
R1 ∥ R3 = 6 Ω, тож лівий шлях — R2+6 = 18 Ω
Req = R4 ∥ 18 = 5,538 Ω
VB = Is·Req = (−1)·5,538 = −5,538 V
VA = VB·6/18 = −1,846 V
VR2″ = VA − VB = −1,846 − −5,538 = 3,692 V
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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·18/26 = 6,923 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,923·6/18 = 2,308 V
VR2‴ = VA − VB = 2,308 − 6,923 = −4,615 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 6,923 + 3,692 + (−4,615) = 6 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 2,118 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 15 = 16,76 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) = 18·2/(15+2) = 2,118 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 12,48 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 30 = 32,4 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) = 9 + 1·2,4 = 11,4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,4 + 1·30 = 41,4 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) = 41,4/(32,4 + 20) = 0,7901 A
PL = IL²·RL = 0,7901²·20 = 12,48 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 3,826 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
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/22 = 3,136
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/3,136 = 3,826 V
Відповідь
Vin,max = 3,826 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −3,626 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 = −10/4,7 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/4,7 = 5,681
Каскад за каскадом
V1 = −2,128·0,3 = −0,6383 V
Vout = 5,681·(−0,6383) = −3,626 V
Відповідь
Vout = −3,626 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 3,219 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
τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
Виразіть час
0,3 = 1,5·e−t/τ → t = τ·ln(1,5/0,3)
t = 2·ln(5) = 3,219 ms
Відповідь
t = 3,219 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 12,44 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.