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 = 2 mA I = −1 mA; при Vs = 20 V і Is = 2 mA I = 3,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 20 V і Is = 10 mA.
2 V, 2 mA → −1 mA20 V, 2 mA → 3,5 mAVs = 20 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Знайдіть значення джерела напруги V2 (полярність як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 5 VR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 20 ms.
Vs = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 33 ΩL = 47 mHt = 20 ms
i = A
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,5 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 20 + 4 = 24 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/24 = 0,625 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,625·20 = 2,5 V
IR2 = VA/R2 = 2,5/5 = 0,5 A
Відповідь
IR2 = 0,5 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,2386 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 = 8 + 5 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 4,105 Ω
R3 + 4,105 = 12,11 Ω
R2 ∥ 12,11 = 5,476 Ω
Req = R1 + 5,476 = 6 + 5,476 = 11,48 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/11,48 = 0,4357 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,4357·6 = 2,386 V
IR2 = VA/R2 = 2,386/10 = 0,2386 A
Відповідь
IR2 = 0,2386 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 2,246 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 = 24 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/5 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,6583·VA − 0,125·VB = 8
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/15 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,1917·VB = 3
Розв’яжіть
Δ = (0,6583)(0,1917) − (−0,125)(−0,125) = 0,1106
VA = Δ1/Δ = 1,908/0,1106 = 17,26 V
VB = Δ2/Δ = 2,975/0,1106 = 26,91 V
Відповідь
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 17,26)/3 = 2,246 A
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 2,93 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
(9 − 5)/25 + 9/8 = (VB − 9)/25
1,285 = (VB − 9)/25 → VB = 41,13 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 = (41,13 − 9)/25 + 41,13/25 = 2,93 A
Відповідь
Is = 2,93 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,5625 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
2·I1 + 2(I1 − I2) = 9
4·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 5·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (4)(5) − (−2)(−2) = 16
I1 = Δ1/Δ = 9/16 = 0,5625 A
I2 = Δ2/Δ = −54/16 = −3,375 A
Відповідь
I1 = 0,5625 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR5 = 10,06 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
25·I1 + 12(I1 − I2) = 18
37·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 12(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 44·I2 − 12·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
5·I3 + 12(I3 − I2) = (−15)
−12·I2 + 17·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 19900
I1 = Δ1/Δ = 8712/19900 = 0,4378 A
I2 = Δ2/Δ = −2988/19900 = −0,1502 A
I3 = Δ3/Δ = −19668/19900 = −0,9883 A
Відповідь
IR5 = I2 − I3 = 0,8382 A
VR5 = IR5·R5 = 0,8382·12 = 10,06 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = −2,5 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
2·k₁ + 2·k₂ = −1
20·k₁ + 2·k₂ = 3,5
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (2)(2) − (2)(20) = −36
k₁ = Δ1/Δ = −9/−36 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = 27/−36 = −0,75
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = −0,75
Обчисліть новий струм
I = 0,25·20 + (−0,75)·10 = −2,5 mA
Відповідь
I = −2,5 mA
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 17,5 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
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 3 ∥ 45 = 2,813 Ω
VA = 12·2,813/(12+2,813) = 2,278 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,278·25/45 = 1,266 V
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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R3 = 2,4 Ω, тож лівий шлях — R2+2,4 = 22,4 Ω
Req = R4 ∥ 22,4 = 11,81 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·11,81 = −29,54 V
VA = VB·2,4/22,4 = −3,165 V
Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 2,4 Ω
VA‴ = V2·2,4/(25 + 20 + 2,4) = 0,05063·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 5 = 6,6 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) = 12·8/(2+8) = 9,6 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 = 9,6/6,6 = 1,455 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 5,857 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 3 = 8,217 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) = 23,48 + 3·5,217 = 39,13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 39,13 + 3·3 = 48,13 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 = 48,13/8,217 = 5,857 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 9,6 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₊ = 0,2 V
I = V₋/R1 = 0,2/1 = 0,2 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,2 + 0,2·47 = 9,6 V
Відповідь
Vout = 9,6 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,258 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = −1,1/100 = −0,011 mA
I2 = V2/R2 = 0,5/22 = 0,02273 mA
If = I1 + I2 = 0,01173 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −22·0,01173 = −0,258 V
Відповідь
Vout = −0,258 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 1,839 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.
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 / 68 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/68 = 0,07353 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−1/1 = 1,839 V
Відповідь
vL = 1,839 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 1,614 A
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
До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.