Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 10 V і Is = 2 mA I = 8,8 mA; при Vs = 5 V і Is = 3 mA I = 3,2 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 8 V і Is = 5 mA.
10 V, 2 mA → 8,8 mA5 V, 3 mA → 3,2 mAVs = 8 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
За методом накладання знайдіть потужність PR3, яку споживає R3.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 20 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 400 ms.
Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 6,8 kΩC = 33 µFt = 400 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 4,571 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 = 12 + 6 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 3·18/(3+18) = 2,571 Ω
Req = R1 + 2,571 = 2 + 2,571 = 4,571 Ω
Відповідь
Req = 4,571 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 34,39 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.
R5 + R6 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 15,71 Ω
R3 + 15,71 = 17,71 Ω
R2 ∥ 17,71 = 9,394 Ω
Req = R1 + 9,394 = 25 + 9,394 = 34,39 Ω
Відповідь
Req = 34,39 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = −2,769 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 = 6 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/12 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,3333·VA − 0,125·VB = 0,75
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/8 + (VB − VA)/8 = (−3)
−0,125·VA + 0,25·VB = −3
Розв’яжіть
Δ = (0,3333)(0,25) − (−0,125)(−0,125) = 0,06771
VA = Δ1/Δ = −0,1875/0,06771 = −2,769 V
VB = Δ2/Δ = −0,9063/0,06771 = −13,38 V
Відповідь
VA = −2,769 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 5,766 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 = 6 V, V2 = 9 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/25 + (VA − 6)/3 + (VA − VB)/30 = 0
0,4067·VA − 0,03333·VB = 2
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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 18
16·I1 − 8·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
5·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 13·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (16)(13) − (−8)(−8) = 144
I1 = Δ1/Δ = 114/144 = 0,7917 A
I2 = Δ2/Δ = −96/144 = −0,6667 A
Відповідь
I2 = −0,6667 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = −1,057 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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 9
10·I1 − 4·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
5·I2 + 4(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 34·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
2·I3 + 25(I3 − I2) = (−6)
−25·I2 + 27·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2498
I1 = Δ1/Δ = 2037/2498 = 0,8155 A
I2 = Δ2/Δ = −528/2498 = −0,2114 A
I3 = Δ3/Δ = −1044/2498 = −0,4179 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,2114 A
VR2 = IR2·R2 = −0,2114·5 = −1,057 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 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
10·k₁ + 2·k₂ = 8,8
5·k₁ + 3·k₂ = 3,2
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (10)(3) − (2)(5) = 20
k₁ = Δ1/Δ = 20/20 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −12/20 = −0,6
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,6
Обчисліть новий струм
I = 1·8 + (−0,6)·5 = 5 mA
Відповідь
I = 5 mA
8.Метод накладання
Відповідь: PR3 = 55,23 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.
R3 ∥ (R2+R4) = 8 ∥ 9 = 4,235 Ω
VA = 30·4,235/(5+4,235) = 13,76 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,76·3/9 = 4,586 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (13,76 − 0)/8 = 1,72 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 = 3,077 Ω, тож лівий шлях — R2+3,077 = 9,077 Ω
Req = R4 ∥ 9,077 = 2,255 Ω
VB = Is·Req = 1,5·2,255 = 3,382 V
VA = VB·3,077/9,077 = 1,146 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,146 − 0)/8 = 0,1433 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·9,077/12,08 = 18,04 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 18,04·3,077/9,077 = 6,115 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR3 = IR3²·R3 = 2,627²·8 = 55,23 W
Відповідь
PR3 = 55,23 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 28,5 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 7,5 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 6 = 7,5 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) = 30·2/(6+2) = 7,5 V
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 9,389 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 3 = 4,852 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) = 16,67 + (−1,5)·1,852 = 13,89 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,89 + (−1,5)·3 = 9,389 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 440 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 = (21 − 1)·22 = 440 kΩ
Відповідь
Rf = 440 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 10,06 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.
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 = 100 mH / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A
Виразіть час
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −5·ln(0,01) = 23,03 ms
Відповідь
t = 23,03 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 0,9946 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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.