Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 2,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 11,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −2,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 2,5 mA2·V1: I = 11,5 mA−Is: I = −2,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = −0,2 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.
Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть сталу часу τ кола після замикання ключа.
Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µF
τ = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 22,8 V? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 2,2 kΩC = 22 µFvC(0) = 24 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 2,222 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Req = R1 + 1,818 = 8 + 1,818 = 9,818 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/9,818 = 2,444 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2,444·8 = 4,444 V
IR2 = VA/R2 = 4,444/2 = 2,222 A
Відповідь
IR2 = 2,222 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,0709 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 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 4,444 Ω
R3 + 4,444 = 8,444 Ω
R2 ∥ 8,444 = 5,403 Ω
Req = R1 + 5,403 = 20 + 5,403 = 25,4 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/25,4 = 0,1968 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,1968·20 = 1,063 V
IR2 = VA/R2 = 1,063/15 = 0,0709 A
Відповідь
IR2 = 0,0709 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = −18,12 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 = 15 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/6 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0,5167·VA − 0,1·VB = 3,75
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)/10 = (−4)
−0,1·VA + 0,2·VB = −4
Розв’яжіть
Δ = (0,5167)(0,2) − (−0,1)(−0,1) = 0,09333
VA = Δ1/Δ = 0,35/0,09333 = 3,75 V
VB = Δ2/Δ = −1,692/0,09333 = −18,13 V
Відповідь
VB = −18,12 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 2,1 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
(7,5 − 5)/4 + 7,5/20 = (VB − 7,5)/20
1 = (VB − 7,5)/20 → VB = 27,5 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 = (27,5 − 7,5)/20 + 27,5/25 = 2,1 A
Відповідь
Is = 2,1 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 1,65 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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 18
17·I1 − 2·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
10·I2 + 2(I2 − I1) = (−10)
−2·I1 + 12·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (17)(12) − (−2)(−2) = 200
I1 = Δ1/Δ = 196/200 = 0,98 A
I2 = Δ2/Δ = −134/200 = −0,67 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 1,65 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR1 = 16,72 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 36
18·I1 − 10·I2 = 36
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 + 10(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 41·I2 − 25·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
10·I3 + 25(I3 − I2) = (−24)
−25·I2 + 35·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 11080
I1 = Δ1/Δ = 23160/11080 = 2,09 A
I2 = Δ2/Δ = 1800/11080 = 0,1625 A
I3 = Δ3/Δ = −6312/11080 = −0,5697 A
Відповідь
IR1 = I1 = 2,09 A
VR1 = IR1·R1 = 2,09·8 = 16,72 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR2 = 5,371 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 = 15+6 = 21 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·21/(10+21) = 6,774 Ω
VA = 6·6,774/(8+6,774) = 2,751 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,751·6/21 = 0,786 V
VR2′ = VA − 0 = 2,751 − 0 = 2,751 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 19,44 = 4,585 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,585 = 11,46 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11,46·4,444/19,44 = 2,62 V
VR2″ = VA − 0 = 2,62 − 0 = 2,62 V
Додайте складові
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 2,751 + 2,62 = 5,371 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: I = 11,5 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 вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 2,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 11,5
I₁ + I₂ − I₃ = −2,5
Знайдіть внески
I₁ = 11,5 − 2,5 = 9 mA
I₃ = (2,5 − (−2,5))/2 = 2,5 mA
I₂ = 2,5 − 9 − 2,5 = −9 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 9 + 2,5 = 11,5 mA
Відповідь
I = 11,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 5 = 11,67 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) = 15·10/(20+10) = 5 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 28,33 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 5 = 6,667 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) = 25 + 0,5·1,667 = 25,83 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25,83 + 0,5·5 = 28,33 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,109 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = −1,8/1 = −1,8 mA
I2 = V2/R2 = −0,1/10 = −0,01 mA
If = I1 + I2 = −1,81 mA
Відповідь
If = −1,81 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: τ = 319,7 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.
Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора
Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·4,7/(10 + 4,7) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 15·4,7/(10 + 4,7) = 4,796 V
Стала часу
τ = Rth·C = 3,197·100 = 319,7 ms
Відповідь
τ = 319,7 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 17,26 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.