Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,25·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.
Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 5 V і Is = 6 mA I = 4,2 mA; при Vs = 12 V і Is = 8 mA I = 8,8 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 5 V і Is = 1 mA.
5 V, 6 mA → 4,2 mA12 V, 8 mA → 8,8 mAVs = 5 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 = 3,5 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 5,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = −4,5 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 3,5 mA2·V1: I = 5,5 mA−Is: I = −4,5 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
До a–b підключено навантаження RL = 5 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.
V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = 1,9 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.
V1 = 0,8 VV2 = 1,5 VR1 = 22 kΩR2 = 10 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
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 = 24 VR = 5 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 3 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 1000 ms.
Vs = 12 VR = 10 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 Vt = 1000 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,8571 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 + 10 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Req = R1 + 10 = 4 + 10 = 14 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/14 = 1,286 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,286·4 = 12,86 V
IR2 = VA/R2 = 12,86/15 = 0,8571 A
Відповідь
IR2 = 0,8571 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 4,823 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 = 25 + 6 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 13,84 Ω
R3 + 13,84 = 25,84 Ω
R2 ∥ 25,84 = 3,464 Ω
Req = R1 + 3,464 = 3 + 3,464 = 6,464 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/6,464 = 5,569 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 5,569·3 = 19,29 V
IR2 = VA/R2 = 19,29/4 = 4,823 A
Відповідь
IR2 = 4,823 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 20,5 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/2 + (VA − 15)/10 + (VA − VB)/12 = 0
0,6833·VA − 0,08333·VB = 1,5
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 = 13,66·1,5 = 20,5 W
Відповідь
PIs = 20,5 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR4 = 7,368 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
Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,7667·VA − 0,3333·VB = 12
ЗСК для вузла B
Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.
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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 9
18·I1 − 10·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
12·I2 + 10(I2 − I1) = (−10)
−10·I1 + 22·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (18)(22) − (−10)(−10) = 296
I1 = Δ1/Δ = 98/296 = 0,3311 A
I2 = Δ2/Δ = −90/296 = −0,3041 A
Відповідь
IR1 = I1 = 0,3311 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,3783 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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 6
10·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 5(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 20·I2 − 5·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
3·I3 + 5(I3 − I2) = (−15)
−5·I2 + 8·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1150
I1 = Δ1/Δ = 435/1150 = 0,3783 A
I2 = Δ2/Δ = −510/1150 = −0,4435 A
I3 = Δ3/Δ = −2475/1150 = −2,152 A
Відповідь
I1 = 0,3783 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: I = 3,2 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
5·k₁ + 6·k₂ = 4,2
12·k₁ + 8·k₂ = 8,8
Знайдіть коефіцієнти
Δ = (5)(8) − (6)(12) = −32
k₁ = Δ1/Δ = −19,2/−32 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = −6,4/−32 = 0,2
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,2
Обчисліть новий струм
I = 0,6·5 + 0,2·1 = 3,2 mA
Відповідь
I = 3,2 mA
8.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 вимірювання через внески
Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.
I₁ + I₂ + I₃ = 3,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 5,5
I₁ + I₂ − I₃ = −4,5
Знайдіть внески
I₁ = 5,5 − 3,5 = 2 mA
I₃ = (3,5 − (−4,5))/2 = 4 mA
I₂ = 3,5 − 2 − 4 = −2,5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 2 + 4 = 6 mA
Відповідь
I = 6 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 1,174 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 5 = 6,5 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) = 18·6/(2+6) = 13,5 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) = 13,5/(6,5 + 5) = 1,174 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = 40,33 V
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 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 6 = 10,17 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) = 20 + 2·4,167 = 28,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,33 + 2·6 = 40,33 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 5,959 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₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/22 = 0,08636 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 0,08636·47 = 5,959 V
Відповідь
Vout = 5,959 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = 0,1864 mA
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 = 0,8/22 = 0,03636 mA
I2 = V2/R2 = 1,5/10 = 0,15 mA
If = I1 + I2 = 0,1864 mA
Відповідь
If = 0,1864 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W(∞) = 380,2 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 = 33 mH / 5 Ω = 6,6 ms
i(∞) = Vs/R = 24/5 = 4,8 A
Накопичена енергія
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·4,8² = 380,2 mJ
Відповідь
W(∞) = 380,2 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 6,287 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.