ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −2,7 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 500 ms.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 80% конечного значения? Найдите t.
Vs = 15 VR = 100 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,58 V, ровно через 25 ms после старта. При C = 2,2 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 25 msC = 2,2 µF
R = kΩ
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 18,33 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 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 15 + 3,333 = 18,33 Ω
Ответ
Req = 18,33 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,7253 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 = 8 + 12 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 8,571 Ω
R3 + 8,571 = 23,57 Ω
R2 ∥ 23,57 = 13,2 Ω
Req = R1 + 13,2 = 5 + 13,2 = 18,2 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/18,2 = 1,648 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,648·5 = 21,76 V
IR2 = VA/R2 = 21,76/30 = 0,7253 A
Ответ
IR2 = 0,7253 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 14 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 = 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/10 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/12 = 0
0,2667·VA − 0,08333·VB = 2,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 = 6 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/4 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,4667·VA − 0,1667·VB = 0,3
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/20 + (VB − VA)/6 + (VB − 6)/12 = 5
−0,1667·VA + 0,3·VB = 5,5
Решите
Δ = (0,4667)(0,3) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1122
VA = Δ1/Δ = 1,007/0,1122 = 8,97 V
VB = Δ2/Δ = 2,617/0,1122 = 23,32 V
Ответ
IR2 = (VA − VB)/R2 = (8,97 − 23,32)/6 = −2,391 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 2,526 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
4·I1 + 2(I1 − I2) = 6
6·I1 − 2·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
5·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 7·I2 = −9
Решите
Δ = (6)(7) − (−2)(−2) = 38
I1 = Δ1/Δ = 24/38 = 0,6316 A
I2 = Δ2/Δ = −42/38 = −1,105 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,6316 A
VR1 = IR1·R1 = 0,6316·4 = 2,526 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −0,4372 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 + 8(I1 − I2) = 24
23·I1 − 8·I2 = 24
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
5·I2 + 8(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 21·I2 − 8·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
10·I3 + 8(I3 − I2) = (−10)
−8·I2 + 18·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6070
I1 = Δ1/Δ = 6896/6070 = 1,136 A
I2 = Δ2/Δ = 1616/6070 = 0,2662 A
I3 = Δ3/Δ = −2654/6070 = −0,4372 A
Ответ
I3 = −0,4372 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 0,6609 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 = 15+6 = 21 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·21/(15+21) = 8,75 Ω
VA = 24·8,75/(20+8,75) = 7,304 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,304·6/21 = 2,087 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 7,304)/20 = 0,8348 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 23,57 = 4,783 Ω
VB = Is·Req = 2·4,783 = 9,565 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,565·8,571/23,57 = 3,478 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 3,478)/20 = −0,1739 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,8348 + (−0,1739) = 0,6609 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = 1,305 V
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) = 2 ∥ 7 = 1,556 Ω
VA = 24·1,556/(25+1,556) = 1,406 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,406·5/7 = 1,004 V
VR2′ = VA − VB = 1,406 − 1,004 = 0,4017 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 = 1,852 Ω, поэтому левый путь — R2+1,852 = 3,852 Ω
Req = R4 ∥ 3,852 = 2,176 Ω
VB = Is·Req = (−2)·2,176 = −4,351 V
VA = VB·1,852/3,852 = −2,092 V
VR2″ = VA − VB = −2,092 − −4,351 = 2,259 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 = 25·2/(25+2) = 1,852 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·3,852/8,852 = 2,611 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,611·1,852/3,852 = 1,255 V
VR2‴ = VA − VB = 1,255 − 2,611 = −1,356 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,4017 + 2,259 + (−1,356) = 1,305 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 10 = 11,5 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) = 10·6/(2+6) = 7,5 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 2,387 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 10 = 16,32 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) = 9,474 + 4·6,316 = 34,74 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 34,74 + 4·10 = 74,74 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) = 74,74/(16,32 + 15) = 2,387 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 3,582 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.
Коэффициент усиления
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 4,7/2 = 3,35
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/3,35 = 3,582 V
Ответ
Vin,max = 3,582 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 6,136 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 100 kΩ · 2,2 µF = 220 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,7)/220 = 0,01227 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,7)·500/220 = 6,136 V
Ответ
Vout = 6,136 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,3541 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.
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 / 100 Ω = 0,22 ms
i(∞) = Vs/R = 15/100 = 0,15 A
Выразите время
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,22·ln(0,2) = 0,3541 ms
Ответ
t = 0,3541 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 11,38 kΩ
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.