Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 20 V и Is = 6 mA I = 18,8 mA; при Vs = 4 V и Is = 10 mA I = 2 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 1 mA.
20 V, 6 mA → 18,8 mA4 V, 10 mA → 2 mAVs = 5 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.
Vs = 30 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 68 µFt = 150 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.
Vs = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 33 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 2,561 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 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Req = R1 + 5,714 = 6 + 5,714 = 11,71 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/11,71 = 2,561 A
Ответ
IR1 = 2,561 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,8791 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 = 30 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 8,87 Ω
R3 + 8,87 = 20,87 Ω
R2 ∥ 20,87 = 1,825 Ω
Req = R1 + 1,825 = 5 + 1,825 = 6,825 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/6,825 = 0,8791 A
Ответ
IR1 = 0,8791 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 101,5 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/12 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,5833·VA − 0,25·VB = 3
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/4 = 5
−0,25·VA + 0,4167·VB = 5
Решите
Δ = (0,5833)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1806
VA = Δ1/Δ = 2,5/0,1806 = 13,85 V
VB = Δ2/Δ = 3,667/0,1806 = 20,31 V
Мощность, отдаваемая источником тока
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 = 20,31·5 = 101,5 W
Ответ
PIs = 101,5 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 0,5093 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 = 15 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 − 15)/25 + (VA − VB)/15 = 0
0,1567·VA − 0,06667·VB = 0,6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 + 10(I1 − I2) = 6
30·I1 − 10·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
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 18·I2 = −6
Решите
Δ = (30)(18) − (−10)(−10) = 440
I1 = Δ1/Δ = 48/440 = 0,1091 A
I2 = Δ2/Δ = −120/440 = −0,2727 A
Ответ
I2 = −0,2727 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = 1,067 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 12
14·I1 − 10·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
4·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 24·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−10)
−10·I2 + 18·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2848
I1 = Δ1/Δ = 2984/2848 = 1,048 A
I2 = Δ2/Δ = 760/2848 = 0,2669 A
I3 = Δ3/Δ = −1160/2848 = −0,4073 A
Ответ
IR2 = I2 = 0,2669 A
VR2 = IR2·R2 = 0,2669·4 = 1,067 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 4,8 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
20·k₁ + 6·k₂ = 18,8
4·k₁ + 10·k₂ = 2
Находим константы
Δ = (20)(10) − (6)(4) = 176
k₁ = Δ1/Δ = 176/176 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −35,2/176 = −0,2
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,2
Предсказываем новый ток
I = 1·5 + (−0,2)·1 = 4,8 mA
Ответ
I = 4,8 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = 1,065 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) = 4 ∥ 33 = 3,568 Ω
VA = 36·3,568/(25+3,568) = 4,496 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,496·30/33 = 4,087 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 4,087)/30 = −0,1362 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 = 3,448 Ω, поэтому левый путь — R2+3,448 = 6,448 Ω
Req = R4 ∥ 6,448 = 5,307 Ω
VB = Is·Req = (−4)·5,307 = −21,23 V
VA = VB·3,448/6,448 = −11,35 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − −21,23)/30 = 0,7077 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 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·6,448/36,45 = 3,184 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,184·3,448/6,448 = 1,703 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (18 − 3,184)/30 = 0,4939 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,1362) + 0,7077 + 0,4939 = 1,065 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,765 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 3 = 7,286 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) = 18·15/(6+15) = 12,86 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 = 12,86/7,286 = 1,765 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 4,159 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 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 30 = 31,5 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) = 5 + 4·1,5 = 11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11 + 4·30 = 131 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 = 131/31,5 = 4,159 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 1,2 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| = Rf/R1 = 10/1 = 10
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/10 = 1,2 V
Ответ
Vin,max = 1,2 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = 0,438 mA
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 = −1,2/100 = −0,012 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/2 = 0,45 mA
If = I1 + I2 = 0,438 mA
Ответ
If = 0,438 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 9,744 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·2,2/(3,3 + 2,2) = 1,32 kΩ
vC(∞) = 30·2,2/(3,3 + 2,2) = 12 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 1,32·68 = 89,76 ms
Кривая заряда
vC(t) = 12·(1 − e−150/89,76) = 9,744 V
Ответ
vC = 9,744 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,8695 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.