Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 5 V і Is = 4 mA I = 8 mA; при Vs = 2 V і Is = 10 mA I = 9,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 12 V і Is = 10 mA.
5 V, 4 mA → 8 mA2 V, 10 mA → 9,5 mAVs = 12 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.
Vs = 5 VR = 15 ΩL = 10 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 12 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 10,8 V? Знайдіть t.
Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 12 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 7,324 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 5·32/(5+32) = 4,324 Ω
Req = R1 + 4,324 = 3 + 4,324 = 7,324 Ω
Відповідь
Req = 7,324 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,8801 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 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 3,385 Ω
R3 + 3,385 = 11,38 Ω
R2 ∥ 11,38 = 8,253 Ω
Req = R1 + 8,253 = 3 + 8,253 = 11,25 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/11,25 = 3,199 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 3,199·3 = 26,4 V
IR2 = VA/R2 = 26,4/30 = 0,8801 A
Відповідь
IR2 = 0,8801 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR3 = 2,419 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 = 30 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 − 30)/6 + (VA − VB)/2 = 0
1,167·VA − 0,5·VB = 5
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 = 6 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/30 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/10 = 0
0,1833·VA − 0,1·VB = 0,3
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/20 + (VB − VA)/10 + (VB − 24)/6 = (−2)
−0,1·VA + 0,3167·VB = 2
Розв’яжіть
Δ = (0,1833)(0,3167) − (−0,1)(−0,1) = 0,04806
VA = Δ1/Δ = 0,295/0,04806 = 6,139 V
VB = Δ2/Δ = 0,3967/0,04806 = 8,254 V
Відповідь
VB = 8,254 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = 1,057 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
20·I1 + 3(I1 − I2) = 30
23·I1 − 3·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
8·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 11·I2 = −24
Розв’яжіть
Δ = (23)(11) − (−3)(−3) = 244
I1 = Δ1/Δ = 258/244 = 1,057 A
I2 = Δ2/Δ = −462/244 = −1,893 A
Відповідь
IR1 = I1 = 1,057 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR5 = 21,58 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 + 12(I1 − I2) = 24
20·I1 − 12·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
15·I2 + 12(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 47·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−36)
−20·I2 + 30·I3 = −36
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 15880
I1 = Δ1/Δ = 15600/15880 = 0,9824 A
I2 = Δ2/Δ = −5760/15880 = −0,3627 A
I3 = Δ3/Δ = −22896/15880 = −1,442 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 1,079 A
VR5 = IR5·R5 = 1,079·20 = 21,58 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 19,5 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
5·k₁ + 4·k₂ = 8
2·k₁ + 10·k₂ = 9,5
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (5)(10) − (4)(2) = 42
k₁ = Δ1/Δ = 42/42 = 1
k₂ = Δ2/Δ = 31,5/42 = 0,75
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,75
Обчисліть новий струм
I = 1·12 + 0,75·10 = 19,5 mA
Відповідь
I = 19,5 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR4 = 2,579 A
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) = 3 ∥ 9 = 2,25 Ω
VA = 15·2,25/(12+2,25) = 2,368 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,368·3/9 = 0,7895 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,7895 − 0)/3 = 0,2632 A
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 = 2,4 Ω, тож лівий шлях — R2+2,4 = 8,4 Ω
Req = R4 ∥ 8,4 = 2,211 Ω
VB = Is·Req = 1·2,211 = 2,211 V
VA = VB·2,4/8,4 = 0,6316 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (2,211 − 0)/3 = 0,7368 A
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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·8,4/11,4 = −13,26 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −13,26·2,4/8,4 = −3,789 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−13,26 − −18)/3 = 1,579 A
Додайте складові
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,2632 + 0,7368 + 1,579 = 2,579 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 22,67 Ω
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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 20 = 22,67 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 0,4708 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 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 30 = 34,17 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) = 7,5 + (−0,5)·4,167 = 5,417 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,417 + (−0,5)·30 = −9,583 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) = −9,583/(34,17 + 10) = −0,217 A
PL = IL²·RL = −0,217²·10 = 0,4708 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 48 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 = (25 − 1)·2 = 48 kΩ
Відповідь
Rf = 48 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −7,978 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.
Напруга на вході +
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1·22/(4,7 + 22) = 0,824 V
Накладіть дію двох входів
При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.
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 = 10 mH / 15 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A
Накопичена енергія
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·10·0,3333² = 0,5556 mJ
Відповідь
W(∞) = 0,5556 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 24,01 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.