Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 8.
R1 = 4,7 kΩAv = 8
Rf = kΩ
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 = 0,95 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Через катушку течёт установившийся ток 1 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.
i(0) = 1 AR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 300 ms.
Vs = 15 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC(0) = 4 Vt = 300 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,673 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 = 20 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 8·23/(8+23) = 5,935 Ω
Req = R1 + 5,935 = 12 + 5,935 = 17,94 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/17,94 = 1,673 A
Ответ
IR1 = 1,673 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8,407 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 = 6 + 6 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 5,455 Ω
R3 + 5,455 = 8,455 Ω
R2 ∥ 8,455 = 5,407 Ω
Req = R1 + 5,407 = 3 + 5,407 = 8,407 Ω
Ответ
Req = 8,407 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = −15,13 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 = 30 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/2 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/10 = 0
1,1·VA − 0,1·VB = 15
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/10 = (−4)
−0,1·VA + 0,1833·VB = −4
Решите
Δ = (1,1)(0,1833) − (−0,1)(−0,1) = 0,1917
VA = Δ1/Δ = 2,35/0,1917 = 12,26 V
VB = Δ2/Δ = −2,9/0,1917 = −15,13 V
Ответ
VB = −15,13 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 1,262 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 = 18 V, V2 = 36 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 − 18)/3 + (VA − VB)/10 = 0
0,5·VA − 0,1·VB = 6
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/30 + (VB − VA)/10 + (VB − 36)/6 = 5
−0,1·VA + 0,3·VB = 11
Решите
Δ = (0,5)(0,3) − (−0,1)(−0,1) = 0,14
VA = Δ1/Δ = 2,9/0,14 = 20,71 V
VB = Δ2/Δ = 6,1/0,14 = 43,57 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (43,57 − 36)/6 = 1,262 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,3333 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
15·I1 + 6(I1 − I2) = 9
21·I1 − 6·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
6·I2 + 6(I2 − I1) = (−6)
−6·I1 + 12·I2 = −6
Решите
Δ = (21)(12) − (−6)(−6) = 216
I1 = Δ1/Δ = 72/216 = 0,3333 A
I2 = Δ2/Δ = −72/216 = −0,3333 A
Ответ
I2 = −0,3333 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −0,5426 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) = 30
25·I1 − 5·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
4·I2 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 24·I2 − 15·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
6·I3 + 15(I3 − I2) = (−10)
−15·I2 + 21·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6450
I1 = Δ1/Δ = 7620/6450 = 1,181 A
I2 = Δ2/Δ = −600/6450 = −0,09302 A
I3 = Δ3/Δ = −3500/6450 = −0,5426 A
Ответ
I3 = −0,5426 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR3 = 3,33 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 = 2+20 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·22/(12+22) = 7,765 Ω
VA = 10·7,765/(5+7,765) = 6,083 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,083·20/22 = 5,53 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (6,083 − 5,53)/2 = 0,2765 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 5,529 = 4,332 Ω
VB = Is·Req = 2·4,332 = 8,664 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,664·3,529/5,529 = 5,53 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (5,53 − 8,664)/2 = −1,567 A
Складываем вклады токов
IR3 = IR3′ + IR3″ = 0,2765 + (−1,567) = −1,29 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR3 = IR3²·R3 = (−1,29)²·2 = 3,33 W
Ответ
PR3 = 3,33 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 5,063 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = −2,338 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) = 6 ∥ 16 = 4,364 Ω
VA = 18·4,364/(15+4,364) = 4,056 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,056·12/16 = 3,042 V
VR2′ = VA − VB = 4,056 − 3,042 = 1,014 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 = 4,286 Ω, поэтому левый путь — R2+4,286 = 8,286 Ω
Req = R4 ∥ 8,286 = 4,901 Ω
VB = Is·Req = 1·4,901 = 4,901 V
VA = VB·4,286/8,286 = 2,535 V
VR2″ = VA − VB = 2,535 − 4,901 = −2,366 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·8,286/20,29 = 2,042 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,042·4,286/8,286 = 1,056 V
VR2‴ = VA − VB = 1,056 − 2,042 = −0,9859 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 1,014 + (−2,366) + (−0,9859) = −2,338 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,2667 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 8 = 14 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) = 12·10/(15+10) = 4,8 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) = 4,8/(14 + 4) = 0,2667 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = −0,07547 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 4 = 5,852 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) = 11,11 + (−2)·1,852 = 7,407 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,407 + (−2)·4 = −0,5926 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) = −0,5926/(5,852 + 2) = −0,07547 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 32,9 kΩ
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 неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (8 − 1)·4,7 = 32,9 kΩ
Ответ
Rf = 32,9 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −6,537 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 = −22/10 = −2,2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/4,7 = 3,128
Каскад за каскадом
V1 = −2,2·0,95 = −2,09 V
Vout = 3,128·(−2,09) = −6,537 V
Ответ
Vout = −6,537 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 7,363 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.
Постоянная времени
τ = L/R = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
Убывание тока
i(t) = 1·e−1/0,6667 = 0,2231 A
vR = R·i = 33·0,2231 = 7,363 V
Ответ
vR = 7,363 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 12,17 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 значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.