Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
V1 = 15 VR1 = 15 ΩV2 = 9 VR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −0,5 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 2 ms.
Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
i(0) = 2 AR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 500 ms.
Vs = 12 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 68 µFt = 500 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 5,273 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 4·18/(4+18) = 3,273 Ω
Req = R1 + 3,273 = 2 + 3,273 = 5,273 Ω
Ответ
Req = 5,273 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 14,15 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 2,743 Ω
R3 + 2,743 = 7,743 Ω
R2 ∥ 7,743 = 6,154 Ω
Req = R1 + 6,154 = 8 + 6,154 = 14,15 Ω
Ответ
Req = 14,15 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I3 = −0,8721 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.
ЗТК в узле A
Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.
(VA − 15)/15 + (VA − 9)/6 + VA/8 = 0
Находим VA
VA = (15/15 + 9/6 + 0/8) / (1/15 + 1/6 + 1/8) = 2,5/0,3583 = 6,977 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,977)/8 = −0,8721 A
Ответ
I3 = −0,8721 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 2,495 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, 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/4 + (VA − 6)/4 + (VA − VB)/30 = 0
0,5333·VA − 0,03333·VB = 1,5
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
10·I1 + 4(I1 − I2) = 30
14·I1 − 4·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
5·I2 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 9·I2 = −10
Решите
Δ = (14)(9) − (−4)(−4) = 110
I1 = Δ1/Δ = 230/110 = 2,091 A
I2 = Δ2/Δ = −20/110 = −0,1818 A
Ответ
I2 = −0,1818 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR5 = 15,51 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
8·I1 + 12(I1 − I2) = 30
20·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 12(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 26·I2 − 8·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
12·I3 + 8(I3 − I2) = (−36)
−8·I2 + 20·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6240
I1 = Δ1/Δ = 10224/6240 = 1,638 A
I2 = Δ2/Δ = 1440/6240 = 0,2308 A
I3 = Δ3/Δ = −10656/6240 = −1,708 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 1,938 A
VR5 = IR5·R5 = 1,938·8 = 15,51 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = −5 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 10+2 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
VA = 6·6,667/(12+6,667) = 2,143 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,143·2/12 = 0,3571 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 2,143 = −2,143 V
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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 16,67 = 1,786 Ω
VB = Is·Req = 4·1,786 = 7,143 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,143·6,667/16,67 = 2,857 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 2,857 = −2,857 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−2,143) + (−2,857) = −5 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: PR1 = 3,305 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 15 ∥ 14 = 7,241 Ω
VA = 15·7,241/(6+7,241) = 8,203 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,203·6/14 = 3,516 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 8,203)/6 = 1,133 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 = 4,286 Ω, поэтому левый путь — R2+4,286 = 12,29 Ω
Req = R4 ∥ 12,29 = 4,031 Ω
VB = Is·Req = 4·4,031 = 16,13 V
VA = VB·4,286/12,29 = 5,625 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5,625)/6 = −0,9375 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·12,29/18,29 = 16,13 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,13·4,286/12,29 = 5,625 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR1 = IR1²·R1 = (−0,7422)²·6 = 3,305 W
Ответ
PR1 = 3,305 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 18,25 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,7895 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 8 = 9,5 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) = 10·6/(2+6) = 7,5 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 = 7,5/9,5 = 0,7895 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 1,104 W
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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 10 = 14,8 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 + (−1)·4,8 = −0,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8 + (−1)·10 = −10,8 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) = −10,8/(14,8 + 3) = −0,6067 A
PL = IL²·RL = −0,6067²·3 = 1,104 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 2,991 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 = 22/4,7 = 4,681
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/4,681 = 2,991 V
Ответ
Vin,max = 2,991 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,9671 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 4,7 kΩ · 0,22 µF = 1,034 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−0,5)/1,034 = 0,4836 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,5)·2/1,034 = 0,9671 V
Ответ
Vout = 0,9671 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,7358 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 / 68 Ω = 1 ms
Убывание тока
i(t) = 2·e−1/1 = 0,7358 A
Ответ
i = 0,7358 A
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 1,255 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.
Начальное напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.