Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 21 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,5 VV2 = −1,8 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 50% конечного значения? Найдите t.
Vs = 24 VR = 10 ΩL = 220 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 7,2 V, ровно через 25 ms после старта. При R = 1 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 25 msR = 1 kΩ
C = µF
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,081 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 = 15 + 15 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 2·30/(2+30) = 1,875 Ω
Req = R1 + 1,875 = 12 + 1,875 = 13,88 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/13,88 = 1,081 A
Ответ
IR1 = 1,081 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,8319 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 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 1,867 Ω
R3 + 1,867 = 16,87 Ω
R2 ∥ 16,87 = 4,426 Ω
Req = R1 + 4,426 = 10 + 4,426 = 14,43 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/14,43 = 0,8319 A
Ответ
IR1 = 0,8319 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = −0,2872 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 = 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/3 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,4333·VA − 0,05·VB = 0,3
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.
ЗТК в узле A
VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(21 − 30)/25 + 21/20 = (VB − 21)/8
0,69 = (VB − 21)/8 → VB = 26,52 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (26,52 − 21)/8 + 26,52/30 = 1,574 A
Ответ
Is = 1,574 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = −0,2857 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
20·I1 + 2(I1 − I2) = 9
22·I1 − 2·I2 = 9
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
2·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 4·I2 = −30
Решите
Δ = (22)(4) − (−2)(−2) = 84
I1 = Δ1/Δ = −24/84 = −0,2857 A
I2 = Δ2/Δ = −642/84 = −7,643 A
Ответ
I1 = −0,2857 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = −1,203 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, 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
20·I1 + 6(I1 − I2) = 5
26·I1 − 6·I2 = 5
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
4·I2 + 6(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 25·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
15·I3 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 30·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 12570
I1 = Δ1/Δ = 1545/12570 = 0,1229 A
I2 = Δ2/Δ = −3780/12570 = −0,3007 A
I3 = Δ3/Δ = −6918/12570 = −0,5504 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,3007 A
VR2 = IR2·R2 = −0,3007·4 = −1,203 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR4 = 33,55 W
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 = 12+10 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·22/(20+22) = 10,48 Ω
VA = 10·10,48/(15+10,48) = 4,112 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,112·10/22 = 1,869 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,869 − 0)/10 = 0,1869 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R2 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 20,57 = 6,729 Ω
VB = −Is·Req = −3·6,729 = −20,19 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −20,19·8,571/20,57 = −8,411 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−20,19 − 0)/10 = −2,019 A
Складываем вклады токов
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,1869 + (−2,019) = −1,832 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = (−1,832)²·10 = 33,55 W
Ответ
PR4 = 33,55 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 41,1 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 0,1691 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) = 12 ∥ 31 = 8,651 Ω
VA = 12·8,651/(4+8,651) = 8,206 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,206·25/31 = 6,618 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (8,206 − 0)/12 = 0,6838 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 = 3 Ω, поэтому левый путь — R2+3 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 6,618 Ω
VB = Is·Req = (−3)·6,618 = −19,85 V
VA = VB·3/9 = −6,618 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−6,618 − 0)/12 = −0,5515 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·9/34 = 1,324 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 1,324·3/9 = 0,4412 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (0,4412 − 0)/12 = 0,03676 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,6838 + (−0,5515) + 0,03676 = 0,1691 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,18 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 15 = 18,75 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) = 9·6/(10+6) = 3,375 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 = 3,375/18,75 = 0,18 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,591 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 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 25 = 30,45 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) = 4,545 + 0,5·5,455 = 7,273 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,273 + 0,5·25 = 19,77 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) = 19,77/(30,45 + 3) = 0,591 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: V− = −0,523 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.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = 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 = 1,5/1 = 1,5 mA
I2 = V2/R2 = −1,8/47 = −0,0383 mA
If = I1 + I2 = 1,462 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −1·1,462 = −1,462 V
Ответ
Vout = −1,462 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 15,25 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A
Выразите время
0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −22·ln(0,5) = 15,25 ms
Ответ
t = 15,25 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 27,28 µF
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.