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 = 1 mA I = 1,2 mA; при Vs = 2 V і Is = 8 mA I = 2,6 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 2 V і Is = 10 mA.
2 V, 1 mA → 1,2 mA2 V, 8 mA → 2,6 mAVs = 2 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 15 ms, у mJ.
Vs = 9 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 15 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 30 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 17,5 V? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 14 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 = 10 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 10 + 4 = 14 Ω
Відповідь
Req = 14 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,4142 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 4,839 Ω
R3 + 4,839 = 12,84 Ω
R2 ∥ 12,84 = 1,73 Ω
Req = R1 + 1,73 = 20 + 1,73 = 21,73 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/21,73 = 0,4142 A
Відповідь
IR1 = 0,4142 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 6,805 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/8 + (VA − 15)/5 + (VA − VB)/15 = 0
0,3917·VA − 0,06667·VB = 3
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 = 6,805·1 = 6,805 W
Відповідь
PIs = 6,805 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = 0,2805 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 = 18 V, V2 = −15 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/6 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/25 = 0
0,4067·VA − 0,04·VB = 3,6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 + 5(I1 − I2) = 6
20·I1 − 5·I2 = 6
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
2·I2 + 5(I2 − I1) = (−15)
−5·I1 + 7·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (20)(7) − (−5)(−5) = 115
I1 = Δ1/Δ = −33/115 = −0,287 A
I2 = Δ2/Δ = −270/115 = −2,348 A
Відповідь
IR2 = I2 = −2,348 A
VR2 = IR2·R2 = −2,348·2 = −4,696 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = −0,5333 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
30·I1 + 15(I1 − I2) = 6
45·I1 − 15·I2 = 6
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
30·I2 + 15(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 55·I2 − 10·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
25·I3 + 10(I3 − I2) = (−18)
−10·I2 + 35·I3 = −18
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 74250
I1 = Δ1/Δ = 8250/74250 = 0,1111 A
I2 = Δ2/Δ = −4950/74250 = −0,06667 A
I3 = Δ3/Δ = −39600/74250 = −0,5333 A
Відповідь
IR3 = I3 = −0,5333 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 3 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 + 1·k₂ = 1,2
2·k₁ + 8·k₂ = 2,6
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (2)(8) − (1)(2) = 14
k₁ = Δ1/Δ = 7/14 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = 2,8/14 = 0,2
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = 0,2
Обчисліть новий струм
I = 0,5·2 + 0,2·10 = 3 mA
Відповідь
I = 3 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR3 = 0,5057 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) = 5 ∥ 21 = 4,038 Ω
VA = 6·4,038/(6+4,038) = 2,414 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,414·6/21 = 0,6897 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (2,414 − 0)/5 = 0,4828 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 = 2,727 Ω, тож лівий шлях — R2+2,727 = 17,73 Ω
Req = R4 ∥ 17,73 = 4,483 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·4,483 = −6,724 V
VA = VB·2,727/17,73 = −1,034 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−1,034 − 0)/5 = −0,2069 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·17,73/23,73 = 7,471 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7,471·2,727/17,73 = 1,149 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,149 − 0)/5 = 0,2299 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,4828 + (−0,2069) + 0,2299 = 0,5057 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 10 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 6 = 10 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 27,51 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 25 = 32,5 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) = 22,5 + (−4)·7,5 = −7,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −7,5 + (−4)·25 = −107,5 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) = −107,5/(32,5 + 3) = −3,028 A
PL = IL²·RL = −3,028²·3 = 27,51 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 500 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 = (51 − 1)·10 = 500 kΩ
Відповідь
Rf = 500 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = 1,073 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 = −0,6/22 = −0,02727 mA
I2 = V2/R2 = 1,1/1 = 1,1 mA
If = I1 + I2 = 1,073 mA
Відповідь
If = 1,073 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 21,81 mJ
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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 9/10 = 0,9 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,9·(1 − e−15/6,8) = 0,8009 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·68·0,8009² = 21,81 mJ
Відповідь
W = 21,81 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 69,31 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.