Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 11 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 17 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = −4 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 11 mA2·V1: I = 17 mA−Is: I = −4 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −1,6 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 2,3 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 0,5 ms.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 90% конечного значения? Найдите t.
Vs = 9 VR = 68 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 6 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 30 ms.
Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 6 Vt = 30 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,3529 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 + 10 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 12 + 5 = 17 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/17 = 0,3529 A
Ответ
IR1 = 0,3529 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,2445 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 = 3 + 6 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 3,214 Ω
R3 + 3,214 = 28,21 Ω
R2 ∥ 28,21 = 14,54 Ω
Req = R1 + 14,54 = 10 + 14,54 = 24,54 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/24,54 = 0,2445 A
Ответ
IR1 = 0,2445 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 5,603 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/6 + (VA − 9)/2 + (VA − VB)/8 = 0
0,7917·VA − 0,125·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)/8 = 1
−0,125·VA + 0,325·VB = 1
Решите
Δ = (0,7917)(0,325) − (−0,125)(−0,125) = 0,2417
VA = Δ1/Δ = 1,588/0,2417 = 6,569 V
VB = Δ2/Δ = 1,354/0,2417 = 5,603 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 = 5,603·1 = 5,603 W
Ответ
PIs = 5,603 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 4,628 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 = 15 V, V2 = −18 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/25 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/6 = 0
0,4567·VA − 0,1667·VB = 3,75
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/5 + (VB − VA)/6 + (VB − (−18))/3 = 2
−0,1667·VA + 0,7·VB = −4
Решите
Δ = (0,4567)(0,7) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2919
VA = Δ1/Δ = 1,958/0,2919 = 6,709 V
VB = Δ2/Δ = −1,202/0,2919 = −4,117 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (−4,117 − −18)/3 = 4,628 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 11,47 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. 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
10·I1 + 2(I1 − I2) = 15
12·I1 − 2·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 + 2(I2 − I1) = (−6)
−2·I1 + 6·I2 = −6
Решите
Δ = (12)(6) − (−2)(−2) = 68
I1 = Δ1/Δ = 78/68 = 1,147 A
I2 = Δ2/Δ = −42/68 = −0,6176 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,147 A
VR1 = IR1·R1 = 1,147·10 = 11,47 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 6,701 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
30·I1 + 25(I1 − I2) = 9
55·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 25(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 33·I2 − 2·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 + 2(I3 − I2) = (−9)
−2·I2 + 14·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 16440
I1 = Δ1/Δ = 3672/16440 = 0,2234 A
I2 = Δ2/Δ = 2160/16440 = 0,1314 A
I3 = Δ3/Δ = −10260/16440 = −0,6241 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,2234 A
VR1 = IR1·R1 = 0,2234·30 = 6,701 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = 3,429 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 = 4+12 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·16/(2+16) = 1,778 Ω
VA = 24·1,778/(20+1,778) = 1,959 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,959·12/16 = 1,469 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (1,959 − 0)/2 = 0,9796 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 5,818 = 3,918 Ω
VB = Is·Req = 4·3,918 = 15,67 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,67·1,818/5,818 = 4,898 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (4,898 − 0)/2 = 2,449 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,9796 + 2,449 = 3,429 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: I = 13,5 mA
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.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 11
2·I₁ + I₂ + I₃ = 17
I₁ + I₂ − I₃ = −4
Находим вклады
I₁ = 17 − 11 = 6 mA
I₃ = (11 − (−4))/2 = 7,5 mA
I₂ = 11 − 6 − 7,5 = −2,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 6 + 7,5 = 13,5 mA
Ответ
I = 13,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,2 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 10 = 16,67 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) = 10·10/(20+10) = 3,333 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 = 3,333/16,67 = 0,2 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 4,423 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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 10 = 12,68 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) = 5,357 + 4·2,679 = 16,07 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,07 + 4·10 = 56,07 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 = 56,07/12,68 = 4,423 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −8,873 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 1 kΩ · 0,1 µF = 0,1 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −2,3/0,1 = −23 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2,3·0,5/0,1 = −11,5 V
Ответ
Vout = −11,5 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 3,386 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 = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 9/68 = 0,1324 A
Выразите время
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,471·ln(0,1) = 3,386 ms
Ответ
t = 3,386 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 8,388 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.