Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт VA − VB = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 2 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 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 = −0,8 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.
Vin = −0,8 VR = 2,2 kΩC = 0,47 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.
Vs = 10 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 100 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 5 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 6,5 V? Найдите t.
Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 5 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 7,81 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 = 8 + 8 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
Req = R1 + 3,81 = 4 + 3,81 = 7,81 Ω
Ответ
Req = 7,81 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,1217 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 5,44 Ω
R3 + 5,44 = 35,44 Ω
R2 ∥ 35,44 = 5,131 Ω
Req = R1 + 5,131 = 30 + 5,131 = 35,13 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/35,13 = 0,1423 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,1423·30 = 0,7303 V
IR2 = VA/R2 = 0,7303/6 = 0,1217 A
Ответ
IR2 = 0,1217 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 106,4 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/10 + (VA − 18)/2 + (VA − VB)/15 = 0
0,6667·VA − 0,06667·VB = 9
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 = 35,45·3 = 106,4 W
Ответ
PIs = 106,4 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Ix = 0,7115 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.
Образуем супер-узел
Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.
VB = VA − 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 30)/5 + VA/6 + (VA − 12)/2 = 0,5
VA·(1/5 + 1/6 + 1/2) = 0,5 + 30/5 + 12/2 = 12,5
VA = 12,5/0,8667 = 14,42 V
VB = 2,423 V
Ток через источник напряжения
ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.
IR1 = (30 − 14,42)/5 = 3,115 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 3,115 − 14,42/6 = 0,7115 A
Ответ
Ix = 0,7115 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Метод контурных токов
Ответ: IR2 = −1,167 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) = 6
10·I1 − 8·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
2·I2 + 8(I2 − I1) = (−9)
−8·I1 + 10·I2 = −9
Решите
Δ = (10)(10) − (−8)(−8) = 36
I1 = Δ1/Δ = −12/36 = −0,3333 A
I2 = Δ2/Δ = −42/36 = −1,167 A
Ответ
IR2 = I2 = −1,167 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,2025 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
6·I1 + 2(I1 − I2) = 5
8·I1 − 2·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
30·I2 + 2(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 38·I2 − 6·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
5·I3 + 6(I3 − I2) = (−15)
−6·I2 + 11·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3012
I1 = Δ1/Δ = 1730/3012 = 0,5744 A
I2 = Δ2/Δ = −610/3012 = −0,2025 A
I3 = Δ3/Δ = −4440/3012 = −1,474 A
Ответ
I2 = −0,2025 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR3 = −0,3643 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.
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = −0,3261 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 ∥ 12 = 3 Ω
VA = 5·3/(20+3) = 0,6522 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,6522·6/12 = 0,3261 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (0,6522 − 0)/4 = 0,163 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 = 3,333 Ω, поэтому левый путь — R2+3,333 = 9,333 Ω
Req = R4 ∥ 9,333 = 3,652 Ω
VB = Is·Req = 0,5·3,652 = 1,826 V
VA = VB·3,333/9,333 = 0,6522 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (0,6522 − 0)/4 = 0,163 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·9,333/15,33 = −7,304 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,304·3,333/9,333 = −2,609 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−2,609 − 0)/4 = −0,6522 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,163 + 0,163 + (−0,6522) = −0,3261 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 5,333 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 52,8 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 6 = 12 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) = 4,8 + 4·6 = 28,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,8 + 4·6 = 52,8 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 0,2549 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 + 100/2 = 51
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/51 = 0,2549 V
Ответ
Vin,max = 0,2549 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: t = 16,8 ms
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 = 2,2 kΩ · 0,47 µF = 1,034 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−0,8)/1,034 = 0,7737 V/ms
Время до насыщения
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·1,034/0,8 = 16,8 ms
Ответ
t = 16,8 ms
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: τ = 76,74 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·1/(3,3 + 1) = 0,7674 kΩ
vC(∞) = 10·1/(3,3 + 1) = 2,326 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 0,7674·100 = 76,74 ms
Ответ
τ = 76,74 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 167,6 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.