Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.
V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 28 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −0,2 VR1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,1 VV2 = 2 VR1 = 22 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.
Vs = 5 VR = 47 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 6,75 V, ровно через 20 ms после старта. При R = 100 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 9 VVth = 6,75 VT = 20 msR = 100 kΩ
C = µF
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,9534 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 8·17/(8+17) = 5,44 Ω
Req = R1 + 5,44 = 4 + 5,44 = 9,44 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/9,44 = 0,9534 A
Ответ
IR1 = 0,9534 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 16,73 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 = 10 + 4 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,091 Ω
R3 + 5,091 = 13,09 Ω
R2 ∥ 13,09 = 1,735 Ω
Req = R1 + 1,735 = 15 + 1,735 = 16,73 Ω
Ответ
Req = 16,73 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 51,21 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 − 9)/2 + (VA − VB)/3 = 0
1,033·VA − 0,3333·VB = 4,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/3 = 4
−0,3333·VA + 0,5333·VB = 4
Решите
Δ = (1,033)(0,5333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,44
VA = Δ1/Δ = 3,733/0,44 = 8,485 V
VB = Δ2/Δ = 5,633/0,44 = 12,8 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 = 12,8·4 = 51,21 W
Ответ
PIs = 51,21 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 10 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
VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(28 − 30)/8 + 28/8 = (VB − 28)/8
3,25 = (VB − 28)/8 → VB = 54 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (54 − 28)/8 + 54/8 = 10 A
Ответ
Is = 10 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 2,553 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
5·I1 + 3(I1 − I2) = 15
8·I1 − 3·I2 = 15
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
4·I2 + 3(I2 − I1) = (−12)
−3·I1 + 7·I2 = −12
Решите
Δ = (8)(7) − (−3)(−3) = 47
I1 = Δ1/Δ = 69/47 = 1,468 A
I2 = Δ2/Δ = −51/47 = −1,085 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 2,553 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 0,9266 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 + 5(I1 − I2) = 18
11·I1 − 5·I2 = 18
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
3·I2 + 5(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 28·I2 − 20·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
2·I3 + 20(I3 − I2) = (−24)
−20·I2 + 22·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1826
I1 = Δ1/Δ = 1488/1826 = 0,8149 A
I2 = Δ2/Δ = −3300/1826 = −1,807 A
I3 = Δ3/Δ = −4992/1826 = −2,734 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 0,9266 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 0,3629 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.
R3+R4 = 12+5 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·17/(4+17) = 3,238 Ω
VA = 9·3,238/(15+3,238) = 1,598 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,598·5/17 = 0,47 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 1,598)/15 = 0,4935 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.
R1 ∥ R2 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 15,16 = 3,76 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,76 = 9,399 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,399·3,158/15,16 = 1,958 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,958)/15 = −0,1305 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,4935 + (−0,1305) = 0,3629 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = −11,63 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) = 30 ∥ 42 = 17,5 Ω
VA = 6·17,5/(4+17,5) = 4,884 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,884·12/42 = 1,395 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 4,884 = −4,884 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 = 3,529 Ω, поэтому левый путь — R2+3,529 = 33,53 Ω
Req = R4 ∥ 33,53 = 8,837 Ω
VB = Is·Req = 6·8,837 = 53,02 V
VA = VB·3,529/33,53 = 5,581 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 5,581 = −5,581 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 = 4·30/(4+30) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·33,53/45,53 = 11,05 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 11,05·3,529/33,53 = 1,163 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 1,163 = −1,163 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−4,884) + (−5,581) + (−1,163) = −11,63 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 10,8 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 6 = 8,4 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) = 18·6/(4+6) = 10,8 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 7,058 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 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) = 1,875 + 2·7,5 = 16,88 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,88 + 2·8 = 32,88 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) = 32,88/(15,5 + 2) = 1,879 A
PL = IL²·RL = 1,879²·2 = 7,058 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,136 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.
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 = 1,1/22 = 0,05 mA
I2 = V2/R2 = 2/4,7 = 0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,4755 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −1·0,4755 = −0,4755 V
Ответ
Vout = −0,4755 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W(∞) = 1,245 mJ
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 / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0,1064 A
Запасённая энергия
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·0,1064² = 1,245 mJ
Ответ
W(∞) = 1,245 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 0,1443 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.