Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 21.
R1 = 100 kΩAv = 21
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.
R1 = 4,7 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩRf2 = 2 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.
Vs = 24 VR = 15 ΩL = 100 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 10 V? Найдите t.
Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,424 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 10·14/(10+14) = 5,833 Ω
Req = R1 + 5,833 = 4 + 5,833 = 9,833 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/9,833 = 2,441 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2,441·4 = 14,24 V
IR2 = VA/R2 = 14,24/10 = 1,424 A
Ответ
IR2 = 1,424 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 34,28 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 = 30 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 2,769 Ω
R3 + 2,769 = 14,77 Ω
R2 ∥ 14,77 = 9,284 Ω
Req = R1 + 9,284 = 25 + 9,284 = 34,28 Ω
Ответ
Req = 34,28 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 11,06 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 = 6 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 − 6)/10 + (VA − VB)/5 = 0
0,4·VA − 0,2·VB = 0,6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/5 = 4
−0,2·VA + 0,325·VB = 4
Решите
Δ = (0,4)(0,325) − (−0,2)(−0,2) = 0,09
VA = Δ1/Δ = 0,995/0,09 = 11,06 V
VB = Δ2/Δ = 1,72/0,09 = 19,11 V
Ответ
VA = 11,06 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR2 = 0,3243 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 = 24 V, V2 = 36 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/10 + (VA − 24)/5 + (VA − VB)/5 = 0
0,5·VA − 0,2·VB = 4,8
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/8 + (VB − VA)/5 + (VB − 36)/8 = (−1,5)
−0,2·VA + 0,45·VB = 3
Решите
Δ = (0,5)(0,45) − (−0,2)(−0,2) = 0,185
VA = Δ1/Δ = 2,76/0,185 = 14,92 V
VB = Δ2/Δ = 2,46/0,185 = 13,3 V
Ответ
IR2 = (VA − VB)/R2 = (14,92 − 13,3)/5 = 0,3243 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 1,59 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. 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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 30
17·I1 − 2·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
12·I2 + 2(I2 − I1) = (−24)
−2·I1 + 14·I2 = −24
Решите
Δ = (17)(14) − (−2)(−2) = 234
I1 = Δ1/Δ = 372/234 = 1,59 A
I2 = Δ2/Δ = −348/234 = −1,487 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,59 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR4 = 1,58 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
5·I1 + 15(I1 − I2) = 36
20·I1 − 15·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
15·I2 + 15(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 45·I2 − 15·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
30·I3 + 15(I3 − I2) = (−5)
−15·I2 + 45·I3 = −5
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 25875
I1 = Δ1/Δ = 63675/25875 = 2,461 A
I2 = Δ2/Δ = 22800/25875 = 0,8812 A
I3 = Δ3/Δ = 4725/25875 = 0,1826 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 1,58 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = −0,6061 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 = 4+20 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·24/(6+24) = 4,8 Ω
VA = 10·4,8/(4+4,8) = 5,455 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,455·20/24 = 4,545 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (5,455 − 0)/6 = 0,9091 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 6,4 = 4,848 Ω
VB = Is·Req = (−5)·4,848 = −24,24 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −24,24·2,4/6,4 = −9,091 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (−9,091 − 0)/6 = −1,515 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,9091 + (−1,515) = −0,6061 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 2,106 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 3 ∥ 7 = 2,1 Ω
VA = 15·2,1/(12+2,1) = 2,234 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,234·2/7 = 0,6383 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (2,234 − 0)/3 = 0,7447 A
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 = 2,4 Ω, поэтому левый путь — R2+2,4 = 7,4 Ω
Req = R4 ∥ 7,4 = 1,574 Ω
VB = Is·Req = 2·1,574 = 3,149 V
VA = VB·2,4/7,4 = 1,021 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,021 − 0)/3 = 0,3404 A
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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·7,4/9,4 = 9,447 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,447·2,4/7,4 = 3,064 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (3,064 − 0)/3 = 1,021 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,7447 + 0,3404 + 1,021 = 2,106 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 21,76 Ω
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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 20 = 21,76 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = −6,154 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 5 = 7,308 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) = 23,08 + (−4)·2,308 = 13,85 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,85 + (−4)·5 = −6,154 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 2000 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 = (21 − 1)·100 = 2000 kΩ
Ответ
Rf = 2000 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Av = −3
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 каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −4,7/4,7 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/1 = 3
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −1·3 = −3
Ответ
Av = −3
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 77,25 mJ
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 = 100 mH / 15 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 24/15 = 1,6 A
Ток в заданный момент
i(t) = 1,6·(1 − e−10/6,667) = 1,243 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·100·1,243² = 77,25 mJ
Ответ
W = 77,25 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1094 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.