Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = −9 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = −18 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 13 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = −9 mA2·V1: I = −18 mA−Is: I = 13 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩRL = 8 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 2.
R1 = 22 kΩAv = 2
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 200 ms.
Vs = 24 VR = 3,3 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 Vt = 200 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 10,3 Ω
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 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 10·17/(10+17) = 6,296 Ω
Req = R1 + 6,296 = 4 + 6,296 = 10,3 Ω
Ответ
Req = 10,3 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8,466 Ω
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 = 4 + 4 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 3,429 Ω
R3 + 3,429 = 6,429 Ω
R2 ∥ 6,429 = 2,466 Ω
Req = R1 + 2,466 = 6 + 2,466 = 8,466 Ω
Ответ
Req = 8,466 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 1,25 A
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 = 30 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/8 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/20 = 0
0,3·VA − 0,05·VB = 3,75
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)/20 = 5
−0,05·VA + 0,1333·VB = 5
Решите
Δ = (0,3)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,0375
VA = Δ1/Δ = 0,75/0,0375 = 20 V
VB = Δ2/Δ = 1,688/0,0375 = 45 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 20)/8 = 1,25 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 16,11 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 = 5 V, V2 = 6 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/20 + (VA − 5)/3 + (VA − VB)/5 = 0
0,5833·VA − 0,2·VB = 1,667
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/10 + (VB − VA)/5 + (VB − 6)/12 = 4
−0,2·VA + 0,3833·VB = 4,5
Решите
Δ = (0,5833)(0,3833) − (−0,2)(−0,2) = 0,1836
VA = Δ1/Δ = 1,539/0,1836 = 8,381 V
VB = Δ2/Δ = 2,958/0,1836 = 16,11 V
Ответ
VB = 16,11 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR3 = 10 V
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
8·I1 + 12(I1 − I2) = 6
20·I1 − 12·I2 = 6
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
6·I2 + 12(I2 − I1) = (−18)
−12·I1 + 18·I2 = −18
Решите
Δ = (20)(18) − (−12)(−12) = 216
I1 = Δ1/Δ = −108/216 = −0,5 A
I2 = Δ2/Δ = −288/216 = −1,333 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 0,8333 A
VR3 = IR3·R3 = 0,8333·12 = 10 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −0,4448 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
30·I1 + 12(I1 − I2) = 12
42·I1 − 12·I2 = 12
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
25·I2 + 12(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 67·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−10)
−30·I2 + 33·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 50310
I1 = Δ1/Δ = 12132/50310 = 0,2411 A
I2 = Δ2/Δ = −7848/50310 = −0,156 A
I3 = Δ3/Δ = −22380/50310 = −0,4448 A
Ответ
I3 = −0,4448 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = −1,23 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.
R3+R4 = 5+15 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
VA = 15·5,714/(3+5,714) = 9,836 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,836·15/20 = 7,377 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (9,836 − 15)/3 = −1,721 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 7,182 = 4,857 Ω
VB = Is·Req = 1·4,857 = 4,857 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,857·2,182/7,182 = 1,475 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (1,475 − 0)/3 = 0,4918 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−1,721) + 0,4918 = −1,23 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: I = −20 mA
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.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = −9
2·I₁ + I₂ + I₃ = −18
I₁ + I₂ − I₃ = 13
Находим вклады
I₁ = −18 − (−9) = −9 mA
I₃ = (−9 − 13)/2 = −11 mA
I₂ = −9 − (−9) − (−11) = 11 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = (−9) + (−11) = −20 mA
Ответ
I = −20 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 9,231 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 12 = 15,08 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) = 15·8/(5+8) = 9,231 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 99,88 W
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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 4 = 7 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) = 18 + 5·3 = 33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33 + 5·4 = 53 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 53/(7 + 8) = 3,533 A
PL = IL²·RL = 3,533²·8 = 99,88 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 22 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 = (2 − 1)·22 = 22 kΩ
Ответ
Rf = 22 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,2786 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 = 0,3/4,7 = 0,06383 mA
I2 = V2/R2 = −0,1/22 = −0,004545 mA
If = I1 + I2 = 0,05928 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −4,7·0,05928 = −0,2786 V
Ответ
Vout = −0,2786 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 4,463 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 и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0,6667 = 4,463 V
Ответ
vL = 4,463 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 22,6 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.