Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 4 V і Is = 6 mA I = 3,8 mA; при Vs = 20 V і Is = 10 mA I = 17 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 15 V і Is = 1 mA.
4 V, 6 mA → 3,8 mA20 V, 10 mA → 17 mAVs = 15 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 15,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 17,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −1,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 15,5 mA2·V1: I = 17,5 mA−Is: I = −1,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.
V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 1,3 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 1 ms, у mJ.
Vs = 9 VR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 40 ms.
Vs = 20 VR1 = 3,3 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 40 ms
i2 = mA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 2,578 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 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Req = R1 + 1,818 = 4 + 1,818 = 5,818 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/5,818 = 2,578 A
Відповідь
IR1 = 2,578 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,4546 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 = 2 + 20 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 6,875 Ω
R3 + 6,875 = 8,875 Ω
R2 ∥ 8,875 = 3,198 Ω
Req = R1 + 3,198 = 10 + 3,198 = 13,2 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/13,2 = 0,4546 A
Відповідь
IR1 = 0,4546 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VB = −5,2 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/15 + (VA − 6)/3 + (VA − VB)/2 = 0
0,9·VA − 0,5·VB = 2
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/3 + (VB − VA)/2 = (−4)
−0,5·VA + 0,8333·VB = −4
Розв’яжіть
Δ = (0,9)(0,8333) − (−0,5)(−0,5) = 0,5
VA = Δ1/Δ = −0,3333/0,5 = −0,6667 V
VB = Δ2/Δ = −2,6/0,5 = −5,2 V
Відповідь
VB = −5,2 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = 0,3486 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 = 10 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/12 + (VA − 10)/3 + (VA − VB)/25 = 0
0,4567·VA − 0,04·VB = 3,333
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
20·I1 + 20(I1 − I2) = 6
40·I1 − 20·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
12·I2 + 20(I2 − I1) = (−15)
−20·I1 + 32·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (40)(32) − (−20)(−20) = 880
I1 = Δ1/Δ = −108/880 = −0,1227 A
I2 = Δ2/Δ = −480/880 = −0,5455 A
Відповідь
I1 = −0,1227 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR5 = 0,9813 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
6·I1 + 25(I1 − I2) = 36
31·I1 − 25·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
20·I2 + 25(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−25·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) = (−15)
−10·I2 + 35·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 34700
I1 = Δ1/Δ = 61950/34700 = 1,785 A
I2 = Δ2/Δ = 26850/34700 = 0,7738 A
I3 = Δ3/Δ = −7200/34700 = −0,2075 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 0,9813 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 12,1 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
4·k₁ + 6·k₂ = 3,8
20·k₁ + 10·k₂ = 17
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (4)(10) − (6)(20) = −80
k₁ = Δ1/Δ = −64/−80 = 0,8
k₂ = Δ2/Δ = −8/−80 = 0,1
k₁ = 0,8 mA/V, k₂ = 0,1
Обчисліть новий струм
I = 0,8·15 + 0,1·1 = 12,1 mA
Відповідь
I = 12,1 mA
8.Метод накладання
Відповідь: I = 10,5 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 = 15,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 17,5
I₁ + I₂ − I₃ = −1,5
Знайдіть внески
I₁ = 17,5 − 15,5 = 2 mA
I₃ = (15,5 − (−1,5))/2 = 8,5 mA
I₂ = 15,5 − 2 − 8,5 = 5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 2 + 8,5 = 10,5 mA
Відповідь
I = 10,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 13,33 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 10 = 13,33 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = −1,293 A
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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 25 = 29 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) = 6 + (−1,5)·4 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−1,5)·25 = −37,5 V
Еквівалент Нортона
Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.
IN = Vth/Rth = −37,5/29 = −1,293 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,6 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.
Інвертувальний вхід повторює вхід
V₋ = V₊ = 1,3 V
I = V₋/R1 = 1,3/10 = 0,13 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,3 + 0,13·10 = 2,6 V
Відповідь
Vout = 2,6 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −3,884 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 = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,4091·(1 − e−1/1) = 0,2586 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·22·0,2586² = 0,7356 mJ
Відповідь
W = 0,7356 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i2 = 1,747 mA
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.