Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 6 V і Is = 8 mA I = 5 mA; при Vs = 10 V і Is = 8 mA I = 7 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 10 V і Is = 4 mA.
6 V, 8 mA → 5 mA10 V, 8 mA → 7 mAVs = 10 V, Is = 4 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 = 5,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 6,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 0,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 5,5 mA2·V1: I = 6,5 mA−Is: I = 0,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.
V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 22 kΩRf = 47 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = 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 струм i у момент t = 1 ms.
Vs = 5 VR = 68 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 3,16 V, рівно через 100 ms після старту. При C = 47 µF знайдіть потрібний опір R.
Vs = 5 VVth = 3,16 VT = 100 msC = 47 µF
R = kΩ
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 2,83 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 + 8 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R1 + 2,609 = 2 + 2,609 = 4,609 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/4,609 = 3,255 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 3,255·2 = 8,491 V
IR2 = VA/R2 = 8,491/3 = 2,83 A
Відповідь
IR2 = 2,83 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 10,64 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 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 1,862 Ω
R3 + 1,862 = 7,862 Ω
R2 ∥ 7,862 = 5,644 Ω
Req = R1 + 5,644 = 5 + 5,644 = 10,64 Ω
Відповідь
Req = 10,64 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 49,09 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/12 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/5 = 0
0,35·VA − 0,2·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)/5 = 4
−0,2·VA + 0,5333·VB = 4
Розв’яжіть
Δ = (0,35)(0,5333) − (−0,2)(−0,2) = 0,1467
VA = Δ1/Δ = 1,867/0,1467 = 12,73 V
VB = Δ2/Δ = 1,8/0,1467 = 12,27 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 = 12,27·4 = 49,09 W
Відповідь
PIs = 49,09 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 2,739 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
(6,5 − 18)/30 + 6,5/4 = (VB − 6,5)/2
1,242 = (VB − 6,5)/2 → VB = 8,983 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 = (8,983 − 6,5)/2 + 8,983/6 = 2,739 A
Відповідь
Is = 2,739 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR2 = 0,2885 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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 30
14·I1 − 8·I2 = 30
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
4·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 12·I2 = −15
Розв’яжіть
Δ = (14)(12) − (−8)(−8) = 104
I1 = Δ1/Δ = 240/104 = 2,308 A
I2 = Δ2/Δ = 30/104 = 0,2885 A
Відповідь
IR2 = I2 = 0,2885 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: VR2 = −0,3157 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 + 15(I1 − I2) = 10
40·I1 − 15·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
4·I2 + 15(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 27·I2 − 8·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 + 8(I3 − I2) = (−15)
−8·I2 + 23·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 17105
I1 = Δ1/Δ = 3770/17105 = 0,2204 A
I2 = Δ2/Δ = −1350/17105 = −0,07892 A
I3 = Δ3/Δ = −11625/17105 = −0,6796 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,07892 A
VR2 = IR2·R2 = −0,07892·4 = −0,3157 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 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
6·k₁ + 8·k₂ = 5
10·k₁ + 8·k₂ = 7
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (6)(8) − (8)(10) = −32
k₁ = Δ1/Δ = −16/−32 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = −8/−32 = 0,25
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = 0,25
Обчисліть новий струм
I = 0,5·10 + 0,25·4 = 6 mA
Відповідь
I = 6 mA
8.Метод накладання
Відповідь: I = 3,5 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 = 5,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 6,5
I₁ + I₂ − I₃ = 0,5
Знайдіть внески
I₁ = 6,5 − 5,5 = 1 mA
I₃ = (5,5 − 0,5)/2 = 2,5 mA
I₂ = 5,5 − 1 − 2,5 = 2 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 1 + 2,5 = 3,5 mA
Відповідь
I = 3,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,5357 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 + 10 = 14 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) = 15·8/(8+8) = 7,5 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 = 7,5/14 = 0,5357 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 3,735 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 2 = 7,217 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) = 12,52 + 2·5,217 = 22,96 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,96 + 2·2 = 26,96 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 = 26,96/7,217 = 3,735 A
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 4,464 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.
Коефіцієнт підсилення
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/22 = 3,136
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/3,136 = 4,464 V
Відповідь
Vin,max = 4,464 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,512 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 вході +
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,6·47/(10 + 47) = 1,319 V
Накладіть дію двох входів
При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.
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.
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.