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 = 6 mA I = 19,5 mA; при Vs = 15 V и Is = 4 mA I = 18 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 12 V и Is = 5 mA.
15 V, 6 mA → 19,5 mA15 V, 4 mA → 18 mAVs = 12 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 99% конечного значения? Найдите t.
Vs = 10 VR = 47 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.
Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µFt = 400 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 2,211 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Req = R1 + 2,857 = 8 + 2,857 = 10,86 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/10,86 = 2,211 A
Ответ
IR1 = 2,211 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 35,65 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 4,667 Ω
R3 + 4,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 5,647 Ω
Req = R1 + 5,647 = 30 + 5,647 = 35,65 Ω
Ответ
Req = 35,65 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 3,184 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 = 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/20 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/3 = 0
0,55·VA − 0,3333·VB = 1,667
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/3 = 1
−0,3333·VA + 0,8333·VB = 1
Решите
Δ = (0,55)(0,8333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3472
VA = Δ1/Δ = 1,722/0,3472 = 4,96 V
VB = Δ2/Δ = 1,106/0,3472 = 3,184 V
Ответ
VB = 3,184 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = −0,739 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 = 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/8 + (VA − 18)/15 + (VA − VB)/5 = 0
0,3917·VA − 0,2·VB = 1,2
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/6 + (VB − VA)/5 + (VB − 18)/20 = (−0,5)
−0,2·VA + 0,4167·VB = 0,4
Решите
Δ = (0,3917)(0,4167) − (−0,2)(−0,2) = 0,1232
VA = Δ1/Δ = 0,58/0,1232 = 4,708 V
VB = Δ2/Δ = 0,3967/0,1232 = 3,22 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (3,22 − 18)/20 = −0,739 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 4,105 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
2·I1 + 5(I1 − I2) = 24
7·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 5(I2 − I1) = (−12)
−5·I1 + 9·I2 = −12
Решите
Δ = (7)(9) − (−5)(−5) = 38
I1 = Δ1/Δ = 156/38 = 4,105 A
I2 = Δ2/Δ = 36/38 = 0,9474 A
Ответ
IR1 = I1 = 4,105 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −1,482 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 + 8(I1 − I2) = 36
28·I1 − 8·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
15·I2 + 8(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 35·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
2·I3 + 12(I3 − I2) = (−18)
−12·I2 + 14·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8792
I1 = Δ1/Δ = 10728/8792 = 1,22 A
I2 = Δ2/Δ = −2016/8792 = −0,2293 A
I3 = Δ3/Δ = −13032/8792 = −1,482 A
Ответ
I3 = −1,482 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 15,75 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 + 6·k₂ = 19,5
15·k₁ + 4·k₂ = 18
Находим константы
Δ = (15)(4) − (6)(15) = −30
k₁ = Δ1/Δ = −30/−30 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −22,5/−30 = 0,75
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,75
Предсказываем новый ток
I = 1·12 + 0,75·5 = 15,75 mA
Ответ
I = 15,75 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR2 = 3,555 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 4,444 Ω, поэтому левый путь — R2+4,444 = 10,44 Ω
Req = R4 ∥ 10,44 = 7,367 Ω
VB = Is·Req = 4·7,367 = 29,47 V
VA = VB·4,444/10,44 = 12,54 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (29,47 − 12,54)/6 = 2,821 A
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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·10,44/35,44 = 10,61 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,61·4,444/10,44 = 4,514 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (10,61 − 4,514)/6 = 1,016 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0,2821) + 2,821 + 1,016 = 3,555 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,8182 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 6 = 9,529 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) = 18·12/(5+12) = 12,71 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) = 12,71/(9,529 + 6) = 0,8182 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = −4,2 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 3 = 5,4 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) = 12 + (−3)·2,4 = 4,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,8 + (−3)·3 = −4,2 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 30 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 = (31 − 1)·1 = 30 kΩ
Ответ
Rf = 30 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,6727 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.
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 = 10 mH / 47 Ω = 0,2128 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0,2128 A
Выразите время
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −0,2128·ln(0,01) = 0,9798 ms
Ответ
t = 0,9798 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 2,048 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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.