Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
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 = −0,4 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.
Vs = 5 VR = 50 ΩL = 47 mHt = 1 ms
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 8,1 V, ровно через 250 ms после старта. При C = 10 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 9 VVth = 8,1 VT = 250 msC = 10 µF
R = kΩ
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 16,43 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 + 2 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 6·17/(6+17) = 4,435 Ω
Req = R1 + 4,435 = 12 + 4,435 = 16,43 Ω
Ответ
Req = 16,43 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 31,42 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 = 4 + 4 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 3,429 Ω
R3 + 3,429 = 18,43 Ω
R2 ∥ 18,43 = 11,42 Ω
Req = R1 + 11,42 = 20 + 11,42 = 31,42 Ω
Ответ
Req = 31,42 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,8358 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 = 10 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/3 + (VA − 10)/8 + (VA − VB)/4 = 0
0,7083·VA − 0,25·VB = 1,25
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 = 1
−0,25·VA + 0,4167·VB = 1
Решите
Δ = (0,7083)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,2326
VA = Δ1/Δ = 0,7708/0,2326 = 3,313 V
VB = Δ2/Δ = 1,021/0,2326 = 4,388 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3,313)/8 = 0,8358 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 1,612 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, V2 = −30 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/15 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,5667·VA − 0,25·VB = 3
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/4 + (VB − VA)/4 + (VB − (−30))/6 = 4
−0,25·VA + 0,6667·VB = −1
Решите
Δ = (0,5667)(0,6667) − (−0,25)(−0,25) = 0,3153
VA = Δ1/Δ = 1,75/0,3153 = 5,551 V
VB = Δ2/Δ = 0,1833/0,3153 = 0,5815 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 5,551)/4 = 1,612 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 2,478 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 + 2(I1 − I2) = 9
7·I1 − 2·I2 = 9
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
15·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 17·I2 = −30
Решите
Δ = (7)(17) − (−2)(−2) = 115
I1 = Δ1/Δ = 93/115 = 0,8087 A
I2 = Δ2/Δ = −192/115 = −1,67 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 2,478 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,7546 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
20·I1 + 5(I1 − I2) = 18
25·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) + 5(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 13·I2 − 5·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
25·I3 + 5(I3 − I2) = (−10)
−5·I2 + 30·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8375
I1 = Δ1/Δ = 6320/8375 = 0,7546 A
I2 = Δ2/Δ = 1450/8375 = 0,1731 A
I3 = Δ3/Δ = −2550/8375 = −0,3045 A
Ответ
I1 = 0,7546 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR4 = 13,79 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 = 5+20 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
VA = 10·4,167/(20+4,167) = 1,724 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,724·20/25 = 1,379 V
VR4′ = VB − 0 = 1,379 − 0 = 1,379 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9 = 6,207 Ω
VB = Is·Req = 2·6,207 = 12,41 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,41·4/9 = 5,517 V
VR4″ = VB − 0 = 12,41 − 0 = 12,41 V
Сложите составляющие
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 1,379 + 12,41 = 13,79 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = −32,26 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) = 5 ∥ 32 = 4,324 Ω
VA = 18·4,324/(10+4,324) = 5,434 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,434·2/32 = 0,3396 V
VR2′ = VB − VA = 0,3396 − 5,434 = −5,094 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 = 3,333 Ω, поэтому левый путь — R2+3,333 = 33,33 Ω
Req = R4 ∥ 33,33 = 1,887 Ω
VB = Is·Req = 2·1,887 = 3,774 V
VA = VB·3,333/33,33 = 0,3774 V
VR2″ = VB − VA = 3,774 − 0,3774 = 3,396 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·33,33/35,33 = −33,96 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −33,96·3,333/33,33 = −3,396 V
VR2‴ = VB − VA = −33,96 − −3,396 = −30,57 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−5,094) + 3,396 + (−30,57) = −32,26 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 4 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 10 = 12,5 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) = 24·3/(15+3) = 4 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 6,511 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 10 = 13,43 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) = 6,857 + 6·3,429 = 27,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,43 + 6·10 = 87,43 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 = 87,43/13,43 = 6,511 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 1,273 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 + 10/1 = 11
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/11 = 1,273 V
Ответ
Vin,max = 1,273 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 2,735 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 = −4,7/1 = −4,7
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/22 = 1,455
Каскад за каскадом
V1 = −4,7·(−0,4) = 1,88 V
Vout = 1,455·1,88 = 2,735 V
Ответ
Vout = 2,735 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 0,1008 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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0,1 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,1·(1 − e−1/0,94) = 0,06549 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·47·0,06549² = 0,1008 mJ
Ответ
W = 0,1008 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 10,86 kΩ
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.