Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.
V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
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 = 7 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 14 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 23 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 7 mA2·V1: I = 14 mA−Is: I = 23 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
До a–b підключено навантаження RL = 10 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 12 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 5 ms, у mJ.
Vs = 5 VR = 33 ΩL = 68 mHt = 5 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 напругу на конденсаторі vC у момент t = 250 ms.
Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 250 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 2,283 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 4·14/(4+14) = 3,111 Ω
Req = R1 + 3,111 = 2 + 3,111 = 5,111 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/5,111 = 2,935 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 2,935·2 = 9,13 V
IR2 = VA/R2 = 9,13/4 = 2,283 A
Відповідь
IR2 = 2,283 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 5,9 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 = 3 + 2 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 2,727 Ω
R3 + 2,727 = 17,73 Ω
R2 ∥ 17,73 = 3,9 Ω
Req = R1 + 3,9 = 2 + 3,9 = 5,9 Ω
Відповідь
Req = 5,9 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 8,45 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/6 + (VA − 24)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,6167·VA − 0,25·VB = 4,8
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/5 + (VB − VA)/4 = 1
−0,25·VA + 0,45·VB = 1
Розв’яжіть
Δ = (0,6167)(0,45) − (−0,25)(−0,25) = 0,215
VA = Δ1/Δ = 2,41/0,215 = 11,21 V
VB = Δ2/Δ = 1,817/0,215 = 8,45 V
Потужність, яку віддає джерело струму
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 = 8,45·1 = 8,45 W
Відповідь
PIs = 8,45 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 29,65 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 = 36 V, V2 = 5 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/30 + (VA − 36)/2 + (VA − VB)/6 = 0
0,7·VA − 0,1667·VB = 18
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/12 + (VB − VA)/6 + (VB − 5)/5 = 1,5
−0,1667·VA + 0,45·VB = 2,5
Розв’яжіть
Δ = (0,7)(0,45) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2872
VA = Δ1/Δ = 8,517/0,2872 = 29,65 V
VB = Δ2/Δ = 4,75/0,2872 = 16,54 V
Відповідь
VA = 29,65 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 0,9524 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
3·I1 + 15(I1 − I2) = 18
18·I1 − 15·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
8·I2 + 15(I2 − I1) = (−12)
−15·I1 + 23·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (18)(23) − (−15)(−15) = 189
I1 = Δ1/Δ = 234/189 = 1,238 A
I2 = Δ2/Δ = 54/189 = 0,2857 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 0,9524 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −0,459 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
25·I1 + 20(I1 − I2) = 15
45·I1 − 20·I2 = 15
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
6·I2 + 20(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 46·I2 − 20·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
8·I3 + 20(I3 − I2) = (−24)
−20·I2 + 28·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 28760
I1 = Δ1/Δ = 3720/28760 = 0,1293 A
I2 = Δ2/Δ = −13200/28760 = −0,459 A
I3 = Δ3/Δ = −34080/28760 = −1,185 A
Відповідь
I2 = −0,459 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR1 = 2,7 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
Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.
R3+R4 = 5+5 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
VA = 18·3,75/(5+3,75) = 7,714 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,714·5/10 = 3,857 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 7,714)/5 = 2,057 A
Випадок 2 · діє лише Is
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ паралельний R₂. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ і шляхом через R₃.
R1 ∥ R2 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7,727 = 3,036 Ω
VB = Is·Req = (−3)·3,036 = −9,107 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −9,107·2,727/7,727 = −3,214 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −3,214)/5 = 0,6429 A
Додайте складові
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 2,057 + 0,6429 = 2,7 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: I = −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 вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 7
2·I₁ + I₂ + I₃ = 14
I₁ + I₂ − I₃ = 23
Знайдіть внески
I₁ = 14 − 7 = 7 mA
I₃ = (7 − 23)/2 = −8 mA
I₂ = 7 − 7 − (−8) = 8 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 7 + (−8) = −1 mA
Відповідь
I = −1 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,2027 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 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) = 15·10/(20+10) = 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) = 5/(14,67 + 10) = 0,2027 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,172 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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 10 = 11,2 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) = 21,6 + 0,5·1,2 = 22,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,2 + 0,5·10 = 27,2 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) = 27,2/(11,2 + 12) = 1,172 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,4 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₊ = −0,7 V
I = V₋/R1 = −0,7/22 = −0,03182 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,7 + (−0,03182)·22 = −1,4 V
Відповідь
Vout = −1,4 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 0,7842 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 = 68 mH / 33 Ω = 2,061 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,1515·(1 − e−5/2,061) = 0,1381 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·68·0,1381² = 0,6487 mJ
Відповідь
W = 0,6487 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 5,102 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.