Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 17 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 19 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 4 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.
звичайні значення: I = 17 mA2·V1: I = 19 mA−Is: I = 4 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
До a–b підключено навантаження RL = 6 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.
V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
До a–b підключено навантаження RL = 15 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.
Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 750 ms.
Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µFt = 750 ms
vC = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 5 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 5,7 V? Знайдіть t.
Vs = 6 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 5 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,5902 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 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 10·32/(10+32) = 7,619 Ω
Req = R1 + 7,619 = 4 + 7,619 = 11,62 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/11,62 = 0,7746 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,7746·4 = 5,902 V
IR2 = VA/R2 = 5,902/10 = 0,5902 A
Відповідь
IR2 = 0,5902 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 23,94 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 14,48 Ω
R3 + 14,48 = 18,48 Ω
R2 ∥ 18,48 = 3,935 Ω
Req = R1 + 3,935 = 20 + 3,935 = 23,94 Ω
Відповідь
Req = 23,94 Ω
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 44,8 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/4 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/2 = 0
1,083·VA − 0,5·VB = 10
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/2 + (VB − VA)/2 = 4
−0,5·VA + VB = 4
Розв’яжіть
Δ = (1,083)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,8333
VA = Δ1/Δ = 12/0,8333 = 14,4 V
VB = Δ2/Δ = 9,333/0,8333 = 11,2 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 = 11,2·4 = 44,8 W
Відповідь
PIs = 44,8 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR2 = 0,7025 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, V2 = 10 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/10 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0,7·VA − 0,1·VB = 7,5
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
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 + 10(I1 − I2) = 30
22·I1 − 10·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
3·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 13·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (22)(13) − (−10)(−10) = 186
I1 = Δ1/Δ = 210/186 = 1,129 A
I2 = Δ2/Δ = −96/186 = −0,5161 A
Відповідь
IR2 = I2 = −0,5161 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −0,5111 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 + 25(I1 − I2) = 9
50·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 25(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 43·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
6·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 18·I3 = −24
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 20250
I1 = Δ1/Δ = −1530/20250 = −0,07556 A
I2 = Δ2/Δ = −10350/20250 = −0,5111 A
I3 = Δ3/Δ = −33900/20250 = −1,674 A
Відповідь
I2 = −0,5111 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR2 = 1,449 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 = 20+2 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·22/(12+22) = 7,765 Ω
VA = 30·7,765/(6+7,765) = 16,92 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 16,92·2/22 = 1,538 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (16,92 − 0)/12 = 1,41 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 24 = 1,846 Ω
VB = Is·Req = 1,5·1,846 = 2,769 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 2,769·4/24 = 0,4615 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (0,4615 − 0)/12 = 0,03846 A
Додайте складові
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 1,41 + 0,03846 = 1,449 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: I = 8,5 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 = 17
2·I₁ + I₂ + I₃ = 19
I₁ + I₂ − I₃ = 4
Знайдіть внески
I₁ = 19 − 17 = 2 mA
I₃ = (17 − 4)/2 = 6,5 mA
I₂ = 17 − 2 − 6,5 = 8,5 mA
Вимкніть V₂
I = I₁ + I₃ = 2 + 6,5 = 8,5 mA
Відповідь
I = 8,5 mA
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IL = 0,5079 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 20 = 23,08 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) = 24·8/(5+8) = 14,77 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) = 14,77/(23,08 + 6) = 0,5079 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 5,994 W
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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 15 = 17,31 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) = 5,538 + (−1,5)·2,308 = 2,077 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,077 + (−1,5)·15 = −20,42 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) = −20,42/(17,31 + 15) = −0,6321 A
PL = IL²·RL = −0,6321²·15 = 5,994 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 3,298 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.
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 = −1,7/10 = −0,17 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/4,7 = 0,1489 mA
If = I1 + I2 = −0,02106 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −100·(−0,02106) = 2,106 V
Відповідь
Vout = 2,106 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 4,179 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.
Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора
Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.
Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·6,8/(4,7 + 6,8) = 2,779 kΩ
vC(∞) = 10·6,8/(4,7 + 6,8) = 5,913 V
Стала часу
τ = Rth·C = 2,779·220 = 611,4 ms
Крива заряджання
vC(t) = 5,913·(1 − e−750/611,4) = 4,179 V
Відповідь
vC = 4,179 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 874,1 ms
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.