Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.
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 = −0,45 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.
Vs = 9 VR = 50 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 11,4 V? Найдите t.
Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 12 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8,207 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 20·9/(20+9) = 6,207 Ω
Req = R1 + 6,207 = 2 + 6,207 = 8,207 Ω
Ответ
Req = 8,207 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,022 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 + 8 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2,857 Ω
R3 + 2,857 = 22,86 Ω
R2 ∥ 22,86 = 4,752 Ω
Req = R1 + 4,752 = 3 + 4,752 = 7,752 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/7,752 = 1,29 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,29·3 = 6,13 V
IR2 = VA/R2 = 6,13/6 = 1,022 A
Ответ
IR2 = 1,022 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = −0,9057 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 = 12 V). Неизвестные: VA, VB.
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 − 12)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,65·VA − 0,25·VB = 2,4
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 + 15
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 12)/12 + VA/20 + (VA + 15)/10 = 4
VA·(1/12 + 1/20 + 1/10) = 4 + 12/12 − 15/10 = 3,5
VA = 3,5/0,2333 = 15 V
VB = 30 V
Ток через R₁
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 15)/12 = −0,25 A
Ответ
IR1 = −0,25 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,7692 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 10
14·I1 − 10·I2 = 10
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
12·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 22·I2 = −6
Решите
Δ = (14)(22) − (−10)(−10) = 208
I1 = Δ1/Δ = 160/208 = 0,7692 A
I2 = Δ2/Δ = 16/208 = 0,07692 A
Ответ
I1 = 0,7692 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR4 = 0,9551 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 + 20(I1 − I2) = 30
26·I1 − 20·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 + 20(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 46·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
30·I3 + 20(I3 − I2) = (−9)
−20·I2 + 50·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 29400
I1 = Δ1/Δ = 53400/29400 = 1,816 A
I2 = Δ2/Δ = 25320/29400 = 0,8612 A
I3 = Δ3/Δ = 4836/29400 = 0,1645 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 0,9551 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR2 = 22,4 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 4+10 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·14/(12+14) = 6,462 Ω
VA = 10·6,462/(20+6,462) = 2,442 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,442·10/14 = 1,744 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,442 − 0)/12 = 0,2035 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 11,5 = 5,349 Ω
VB = Is·Req = 4·5,349 = 21,4 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,4·7,5/11,5 = 13,95 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (13,95 − 0)/12 = 1,163 A
Складываем вклады токов
IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,2035 + 1,163 = 1,366 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR2 = IR2²·R2 = 1,366²·12 = 22,4 W
Ответ
PR2 = 22,4 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 16,72 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = −3,471 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) = 25 ∥ 8 = 6,061 Ω
VA = 5·6,061/(20+6,061) = 1,163 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,163·4/8 = 0,5814 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 0,5814)/4 = −0,1453 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 = 11,11 Ω, поэтому левый путь — R2+11,11 = 15,11 Ω
Req = R4 ∥ 15,11 = 3,163 Ω
VB = Is·Req = 5·3,163 = 15,81 V
VA = VB·11,11/15,11 = 11,63 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 15,81)/4 = −3,953 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 = 20·25/(20+25) = 11,11 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·15,11/19,11 = 9,488 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,488·11,11/15,11 = 6,977 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (12 − 9,488)/4 = 0,6279 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,1453) + (−3,953) + 0,6279 = −3,471 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,6857 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 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) = 6·20/(5+20) = 4,8 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 = 4,8/7 = 0,6857 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,333 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 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 15 = 22,5 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) = 7,5 + 1·7,5 = 15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15 + 1·15 = 30 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 = 30/22,5 = 1,333 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: V− = 1,979 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.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = 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 = −10/1 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1,1
Каскад за каскадом
V1 = −10·(−0,45) = 4,5 V
Vout = 1,1·4,5 = 4,95 V
Ответ
Vout = 4,95 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1222 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 и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
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.