Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт VA − VB = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,2 VV2 = 0,9 VR1 = R3 = 1 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,6 VV2 = 1,2 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 95% конечного значения? Найдите t.
Vs = 24 VR = 68 ΩL = 150 mH
t = ms
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 20,4 V? Найдите t.
Vs = 24 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,175 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 = 4 + 10 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 12·14/(12+14) = 6,462 Ω
Req = R1 + 6,462 = 12 + 6,462 = 18,46 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/18,46 = 0,325 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,325·12 = 2,1 V
IR2 = VA/R2 = 2,1/12 = 0,175 A
Ответ
IR2 = 0,175 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 24,24 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 = 30 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 10,41 Ω
R3 + 10,41 = 35,41 Ω
R2 ∥ 35,41 = 16,24 Ω
Req = R1 + 16,24 = 8 + 16,24 = 24,24 Ω
Ответ
Req = 24,24 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I1 = 0,1588 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)/20 + (VA − 6)/6 + (VA − 24)/15 = 0
Находим VA
VA = (15/20 + 6/6 + 24/15) / (1/20 + 1/6 + 1/15) = 3,35/0,2833 = 11,82 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I1 = (15 − VA)/R1 = (15 − 11,82)/20 = 0,1588 A
Ответ
I1 = 0,1588 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 1,721 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.
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 − 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 30)/30 + VA/3 + (VA − 9)/25 = 3
VA·(1/30 + 1/3 + 1/25) = 3 + 30/30 + 9/25 = 4,36
VA = 4,36/0,4067 = 10,72 V
VB = 1,721 V
Ответ
VB = 1,721 V
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = −1,65 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 + 20(I1 − I2) = 6
24·I1 − 20·I2 = 6
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 + 20(I2 − I1) = (−24)
−20·I1 + 25·I2 = −24
Решите
Δ = (24)(25) − (−20)(−20) = 200
I1 = Δ1/Δ = −330/200 = −1,65 A
I2 = Δ2/Δ = −456/200 = −2,28 A
Ответ
I1 = −1,65 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR4 = 8,769 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
12·I1 + 8(I1 − I2) = 24
20·I1 − 8·I2 = 24
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
10·I2 + 8(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 30·I2 − 12·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 + 12(I3 − I2) = (−12)
−12·I2 + 24·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9984
I1 = Δ1/Δ = 12672/9984 = 1,269 A
I2 = Δ2/Δ = 1728/9984 = 0,1731 A
I3 = Δ3/Δ = −4128/9984 = −0,4135 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 1,096 A
VR4 = IR4·R4 = 1,096·8 = 8,769 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR4 = 18,12 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 = 8+15 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·23/(2+23) = 1,84 Ω
VA = 9·1,84/(3+1,84) = 3,421 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,421·15/23 = 2,231 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,231 − 0)/15 = 0,1488 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 9,2 = 5,702 Ω
VB = Is·Req = 2,5·5,702 = 14,26 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14,26·1,2/9,2 = 1,86 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (14,26 − 0)/15 = 0,9504 A
Складываем вклады токов
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,1488 + 0,9504 = 1,099 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = 1,099²·15 = 18,12 W
Ответ
PR4 = 18,12 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 13,88 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 44 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) = 8 ∥ 30 = 6,316 Ω
VA = 5·6,316/(25+6,316) = 1,008 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,008·20/30 = 0,6723 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R3 = 6,061 Ω, поэтому левый путь — R2+6,061 = 16,06 Ω
Req = R4 ∥ 16,06 = 8,908 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·8,908 = −22,27 V
VA = VB·6,061/16,06 = −8,403 V
Случай 3 · действует только V2, на один вольт
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 6,061 Ω
VA‴ = V2·6,061/(20 + 10 + 6,061) = 0,1681·V2
Приравниваем VA к нулю
При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.
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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 10 = 11 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) = 12·2/(2+2) = 6 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 = 6/11 = 0,5455 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = −0,75 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 30 = 32 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) = 2 + (−1)·2 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−1)·30 = −30 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) = −30/(32 + 8) = −0,75 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −6,6 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.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 1,6/1 = 1,6 mA
I2 = V2/R2 = 1,2/47 = 0,02553 mA
If = I1 + I2 = 1,626 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −2·1,626 = −3,251 V
Ответ
Vout = −3,251 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 6,608 ms
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 = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 24/68 = 0,3529 A
Выразите время
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −2,206·ln(0,05) = 6,608 ms
Ответ
t = 6,608 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 818,7 ms
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.