Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,5·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VA (относительно земли).
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 51.
R1 = 47 kΩAv = 51
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,9 VV2 = 0,1 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 0,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.
i(0) = 0,5 AR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 18,6 V? Найдите t.
Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC(0) = 18 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 3,206 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Req = R1 + 2,679 = 2 + 2,679 = 4,679 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/4,679 = 3,206 A
Ответ
IR1 = 3,206 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,976 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 30 + 2 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 8,727 Ω
R3 + 8,727 = 14,73 Ω
R2 ∥ 14,73 = 5,184 Ω
Req = R1 + 5,184 = 10 + 5,184 = 15,18 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/15,18 = 1,976 A
Ответ
IR1 = 1,976 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 25,19 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/5 = 0
1,033·VA − 0,2·VB = 6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,2833·VB = 5
Решите
Δ = (1,033)(0,2833) − (−0,2)(−0,2) = 0,2528
VA = Δ1/Δ = 2,7/0,2528 = 10,68 V
VB = Δ2/Δ = 6,367/0,2528 = 25,19 V
Ответ
VB = 25,19 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 25,71 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,7667·VA − 0,1667·VB = 9
ЗТК в узле B
Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 12(I1 − I2) = 30
17·I1 − 12·I2 = 30
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 12(I2 − I1) = (−15)
−12·I1 + 27·I2 = −15
Решите
Δ = (17)(27) − (−12)(−12) = 315
I1 = Δ1/Δ = 630/315 = 2 A
I2 = Δ2/Δ = 105/315 = 0,3333 A
Ответ
I2 = 0,3333 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −5,936 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
15·I1 + 20(I1 − I2) = 36
35·I1 − 20·I2 = 36
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 20(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 33·I2 − 3·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
3·I3 + 3(I3 − I2) = (−36)
−3·I2 + 6·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4215
I1 = Δ1/Δ = 4644/4215 = 1,102 A
I2 = Δ2/Δ = 540/4215 = 0,1281 A
I3 = Δ3/Δ = −25020/4215 = −5,936 A
Ответ
I3 = −5,936 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 1,286 A
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 9 = 3,214 Ω
VA = 5·3,214/(6+3,214) = 1,744 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,744·4/9 = 0,7752 V
VR2′ = VA − VB = 1,744 − 0,7752 = 0,969 V
Случай 2 · действует только Is
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 2,727 Ω, поэтому левый путь — R2+2,727 = 7,727 Ω
Req = R4 ∥ 7,727 = 2,636 Ω
VB = Is·Req = 6·2,636 = 15,81 V
VA = VB·2,727/7,727 = 5,581 V
VR2″ = VA − VB = 5,581 − 15,81 = −10,23 V
Случай 3 · действует только V2
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·7,727/11,73 = 23,72 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 23,72·2,727/7,727 = 8,372 V
VR2‴ = VA − VB = 8,372 − 23,72 = −15,35 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,969 + (−10,23) + (−15,35) = −24,61 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 7,5 V
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 12 = 13,88 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·5/(3+5) = 7,5 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,766 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 5 = 6,714 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,143 + 1·1,714 = 6,857 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,857 + 1·5 = 11,86 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 11,86/6,714 = 1,766 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 2350 kΩ
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (51 − 1)·47 = 2350 kΩ
Ответ
Rf = 2350 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −4,25 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 1,9/47 = 0,04043 mA
I2 = V2/R2 = 0,1/2 = 0,05 mA
If = I1 + I2 = 0,09043 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −47·0,09043 = −4,25 V
Ответ
Vout = −4,25 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 4,029 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени
τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms
Убывание тока
i(t) = 0,5·e−1/1,1 = 0,2014 A
vR = R·i = 20·0,2014 = 4,029 V
Ответ
vR = 4,029 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 78,79 ms
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.