Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 12 V і Is = 8 mA I = 3,2 mA; при Vs = 12 V і Is = 1 mA I = 6,7 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 4 V і Is = 10 mA.
12 V, 8 mA → 3,2 mA12 V, 1 mA → 6,7 mAVs = 4 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = −2 VV2 = 0,9 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.
Vs = 6 VR = 33 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 9 V, рівно через 10 ms після старту. При C = 47 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 10 msC = 47 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,587 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 20·40/(20+40) = 13,33 Ω
Req = R1 + 13,33 = 2 + 13,33 = 15,33 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/15,33 = 0,587 A
Відповідь
IR1 = 0,587 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,8811 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 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 1,84 Ω
R3 + 1,84 = 26,84 Ω
R2 ∥ 26,84 = 4,215 Ω
Req = R1 + 4,215 = 6 + 4,215 = 10,21 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/10,21 = 0,8811 A
Відповідь
IR1 = 0,8811 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 1,561 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 = 15 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/3 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/3 = 0
0,9167·VA − 0,3333·VB = 3,75
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.
ЗСК для вузла A
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(15 − 12)/12 + 15/2 = (VB − 15)/6
7,75 = (VB − 15)/6 → VB = 61,5 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 = (61,5 − 15)/6 + 61,5/20 = 10,82 A
Відповідь
Is = 10,82 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = −1,259 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
12·I1 + 3(I1 − I2) = 9
15·I1 − 3·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
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 23·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (15)(23) − (−3)(−3) = 336
I1 = Δ1/Δ = 117/336 = 0,3482 A
I2 = Δ2/Δ = −423/336 = −1,259 A
Відповідь
IR2 = I2 = −1,259 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR4 = 0,9685 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
4·I1 + 5(I1 − I2) = 10
9·I1 − 5·I2 = 10
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
8·I2 + 5(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 17·I2 − 4·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
15·I3 + 4(I3 − I2) = (−6)
−4·I2 + 19·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2288
I1 = Δ1/Δ = 2950/2288 = 1,289 A
I2 = Δ2/Δ = 734/2288 = 0,3208 A
I3 = Δ3/Δ = −568/2288 = −0,2483 A
Відповідь
IR4 = I1 − I2 = 0,9685 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = −2,6 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
12·k₁ + 8·k₂ = 3,2
12·k₁ + 1·k₂ = 6,7
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (12)(1) − (8)(12) = −84
k₁ = Δ1/Δ = −50,4/−84 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = 42/−84 = −0,5
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = −0,5
Обчисліть новий струм
I = 0,6·4 + (−0,5)·10 = −2,6 mA
Відповідь
I = −2,6 mA
8.Метод накладання
Відповідь: IR2 = 0,5046 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.
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,7742 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 4 = 7,75 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) = 24·5/(15+5) = 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 = 6/7,75 = 0,7742 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 1,684 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 = 20·25/(20+25) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 4 = 15,11 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) = 2,778 + 1,5·11,11 = 19,44 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,44 + 1,5·4 = 25,44 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 = 25,44/15,11 = 1,684 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 3,418 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 входах
Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = 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 = −2/2 = −1 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/1 = 0,9 mA
If = I1 + I2 = −0,1 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −4,7·(−0,1) = 0,47 V
Відповідь
Vout = 0,47 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W(∞) = 0,7769 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 = 47 mH / 33 Ω = 1,424 ms
i(∞) = Vs/R = 6/33 = 0,1818 A
Накопичена енергія
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0,1818² = 0,7769 mJ
Відповідь
W(∞) = 0,7769 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: R = 0,2322 kΩ
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.