Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 10 V и Is = 10 mA I = 15 mA; при Vs = 12 V и Is = 5 mA I = 14,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 10 V и Is = 8 mA.
10 V, 10 mA → 15 mA12 V, 5 mA → 14,5 mAVs = 10 V, Is = 8 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 1 VR1 = 10 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
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. Входное напряжение Vin = 0,3 V. Найдите выходное напряжение Vout.
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 ток i в момент t = 10 ms.
i(0) = 0,5 AR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,733 A? Найдите t.
Vs = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,683 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 8·23/(8+23) = 5,935 Ω
Req = R1 + 5,935 = 2 + 5,935 = 7,935 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/7,935 = 2,268 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,268·2 = 13,46 V
IR2 = VA/R2 = 13,46/8 = 1,683 A
Ответ
IR2 = 1,683 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,2644 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 = 3 + 12 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 2,5 Ω
R3 + 2,5 = 12,5 Ω
R2 ∥ 12,5 = 7,692 Ω
Req = R1 + 7,692 = 15 + 7,692 = 22,69 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/22,69 = 0,2644 A
Ответ
IR1 = 0,2644 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 46,63 W
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 подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 15)/12 + (VA − VB)/3 = 0
0,6167·VA − 0,3333·VB = 1,25
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 15,54·3 = 46,63 W
Ответ
PIs = 46,63 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = −5,885 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 = 18 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/3 + (VA − 18)/25 + (VA − VB)/5 = 0
0,5733·VA − 0,2·VB = 0,72
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/15 + (VB − VA)/5 + (VB − 36)/6 = (−6)
−0,2·VA + 0,4333·VB = 0
Решите
Δ = (0,5733)(0,4333) − (−0,2)(−0,2) = 0,2084
VA = Δ1/Δ = 0,312/0,2084 = 1,497 V
VB = Δ2/Δ = 0,144/0,2084 = 0,6908 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (0,6908 − 36)/6 = −5,885 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,579 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
2·I1 + 8(I1 − I2) = 12
10·I1 − 8·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 14·I2 = −6
Решите
Δ = (10)(14) − (−8)(−8) = 76
I1 = Δ1/Δ = 120/76 = 1,579 A
I2 = Δ2/Δ = 36/76 = 0,4737 A
Ответ
I1 = 1,579 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR2 = −0,1288 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 5
14·I1 − 10·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
10·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 30·I2 − 10·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 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 25·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6600
I1 = Δ1/Δ = 1750/6600 = 0,2652 A
I2 = Δ2/Δ = −850/6600 = −0,1288 A
I3 = Δ3/Δ = −4300/6600 = −0,6515 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,1288 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 14 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 отклик как сумму вкладов
Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.
I = k₁·Vs + k₂·Is
10·k₁ + 10·k₂ = 15
12·k₁ + 5·k₂ = 14,5
Находим константы
Δ = (10)(5) − (10)(12) = −70
k₁ = Δ1/Δ = −70/−70 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −35/−70 = 0,5
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,5
Предсказываем новый ток
I = 1·10 + 0,5·8 = 14 mA
Ответ
I = 14 mA
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = −3,989 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) = 8 ∥ 36 = 6,545 Ω
VA = 30·6,545/(2+6,545) = 22,98 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 22,98·6/36 = 3,83 V
VR2′ = VA − VB = 22,98 − 3,83 = 19,15 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 = 1,6 Ω, поэтому левый путь — R2+1,6 = 31,6 Ω
Req = R4 ∥ 31,6 = 5,043 Ω
VB = Is·Req = 4·5,043 = 20,17 V
VA = VB·1,6/31,6 = 1,021 V
VR2″ = VA − VB = 1,021 − 20,17 = −19,15 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·31,6/37,6 = 4,202 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,202·1,6/31,6 = 0,2128 V
VR2‴ = VA − VB = 0,2128 − 4,202 = −3,989 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 19,15 + (−19,15) + (−3,989) = −3,989 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 9,783 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 12 = 17,22 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) = 15·15/(8+15) = 9,783 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 137,1 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 15 = 19,29 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) = 21,43 + 6·4,286 = 47,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 47,14 + 6·15 = 137,1 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 5,7 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 1 V
I = V₋/R1 = 1/10 = 0,1 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1 + 0,1·47 = 5,7 V
Ответ
Vout = 5,7 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −4,23 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 каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −4,7/2 = −2,35
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/2 = 6
Каскад за каскадом
V1 = −2,35·0,3 = −0,705 V
Vout = 6·(−0,705) = −4,23 V
Ответ
Vout = −4,23 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,0264 A
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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
Убывание тока
i(t) = 0,5·e−10/3,4 = 0,0264 A
Ответ
i = 0,0264 A
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,3752 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
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.