Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Is = 4 AVs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).
Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 15 V и Is = 10 mA I = 6 mA; при Vs = 2 V и Is = 6 mA I = 2,2 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 15 V и Is = 6 mA.
15 V, 10 mA → 6 mA2 V, 6 mA → 2,2 mAVs = 15 V, Is = 6 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 3 VRa = 4,7 kΩRb = 22 kΩR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = 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 = 0,1 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.
Vs = 15 VR = 20 ΩL = 220 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 1000 ms.
Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 18 Vt = 1000 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 14 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 8 + 6 = 14 Ω
Ответ
Req = 14 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,4297 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 1,935 Ω
R3 + 1,935 = 16,94 Ω
R2 ∥ 16,94 = 3,236 Ω
Req = R1 + 3,236 = 25 + 3,236 = 28,24 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/28,24 = 0,5312 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,5312·25 = 1,719 V
IR2 = VA/R2 = 1,719/4 = 0,4297 A
Ответ
IR2 = 0,4297 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 31,2 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 + Vs = VA + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/10 + (VA + 12)/15 = 4
VA = (4 − 12/15)/(1/10 + 1/15) = 19,2 V
VB = 19,2 + 12 = 31,2 V
Ответ
VB = 31,2 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 3,301 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 = 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/3 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/25 = 0
0,6233·VA − 0,04·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/15 + (VB − VA)/25 + (VB − (−30))/3 = (−0,5)
−0,04·VA + 0,44·VB = −10,5
Решите
Δ = (0,6233)(0,44) − (−0,04)(−0,04) = 0,2727
VA = Δ1/Δ = 0,9/0,2727 = 3,301 V
VB = Δ2/Δ = −6,425/0,2727 = −23,56 V
Ответ
VA = 3,301 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR3 = 9,563 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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 18
17·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 4·I2 = −18
Решите
Δ = (17)(4) − (−2)(−2) = 64
I1 = Δ1/Δ = 36/64 = 0,5625 A
I2 = Δ2/Δ = −270/64 = −4,219 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 4,781 A
VR3 = IR3·R3 = 4,781·2 = 9,563 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR4 = 1,038 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
3·I1 + 30(I1 − I2) = 36
33·I1 − 30·I2 = 36
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 + 30(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 59·I2 − 25·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
2·I3 + 25(I3 − I2) = (−30)
−25·I2 + 27·I3 = −30
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7644
I1 = Δ1/Δ = 12348/7644 = 1,615 A
I2 = Δ2/Δ = 4410/7644 = 0,5769 A
I3 = Δ3/Δ = −4410/7644 = −0,5769 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 1,038 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 4,8 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 отклик как сумму вкладов
Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.
I = k₁·Vs + k₂·Is
15·k₁ + 10·k₂ = 6
2·k₁ + 6·k₂ = 2,2
Находим константы
Δ = (15)(6) − (10)(2) = 70
k₁ = Δ1/Δ = 14/70 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = 21/70 = 0,3
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,3
Предсказываем новый ток
I = 0,2·15 + 0,3·6 = 4,8 mA
Ответ
I = 4,8 mA
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = −6,569 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) = 2 ∥ 23 = 1,84 Ω
VA = 24·1,84/(8+1,84) = 4,488 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,488·8/23 = 1,561 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 4,488 = −4,488 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 = 1,6 Ω, поэтому левый путь — R2+1,6 = 16,6 Ω
Req = R4 ∥ 16,6 = 5,398 Ω
VB = Is·Req = 2,5·5,398 = 13,5 V
VA = VB·1,6/16,6 = 1,301 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 1,301 = −1,301 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·16,6/24,6 = 8,098 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,098·1,6/16,6 = 0,7805 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 0,7805 = −0,7805 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−4,488) + (−1,301) + (−0,7805) = −6,569 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 10,67 Ω
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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 8 = 10,67 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = −4,932 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 30 = 31,71 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) = 2,143 + (−5)·1,714 = −6,429 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −6,429 + (−5)·30 = −156,4 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 = −156,4/31,71 = −4,932 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,944 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 входе +
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 3·22/(4,7 + 22) = 2,472 V
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 2,472·(1 + 2/2) = 4,944 V
Ответ
Vout = 4,944 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −11 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 = −47/4,7 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 100/10 = 11
Каскад за каскадом
V1 = −10·0,1 = −1 V
Vout = 11·(−1) = −11 V
Ответ
Vout = −11 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 8,255 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 = 220 mH / 20 Ω = 11 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,75·(1 − e−5/11) = 0,2739 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·220·0,2739² = 8,255 mJ
Ответ
W = 8,255 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 12,15 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.