Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.
V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = −6,5 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 = −25,5 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = −6,5 mA2·V1: I = −17 mA−Is: I = −25,5 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 12 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩRL = 12 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 30 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 3 VRa = 1 kΩRb = 10 kΩR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.
V1 = 1,2 VV2 = 1,5 VR1 = 100 kΩR2 = 1 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 200 ms.
Vs = 15 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 68 µFt = 200 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4,5 V, ровно через 1000 ms после старта. При R = 47 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 9 VVth = 4,5 VT = 1000 msR = 47 kΩ
C = µF
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6891 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 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 15·23/(15+23) = 9,079 Ω
Req = R1 + 9,079 = 12 + 9,079 = 21,08 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/21,08 = 1,139 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,139·12 = 10,34 V
IR2 = VA/R2 = 10,34/15 = 0,6891 A
Ответ
IR2 = 0,6891 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,5379 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 + 10 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 17,14 Ω
R3 + 17,14 = 25,14 Ω
R2 ∥ 25,14 = 7,154 Ω
Req = R1 + 7,154 = 4 + 7,154 = 11,15 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/11,15 = 0,5379 A
Ответ
IR1 = 0,5379 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,4113 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). 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/8 + (VA − 15)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,3417·VA − 0,1667·VB = 0,75
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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, 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/4 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/12 = 0
0,4333·VA − 0,08333·VB = 1
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/4 + (VB − VA)/12 + (VB − 36)/6 = (−0,5)
−0,08333·VA + 0,5·VB = 5,5
Решите
Δ = (0,4333)(0,5) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,2097
VA = Δ1/Δ = 0,9583/0,2097 = 4,57 V
VB = Δ2/Δ = 2,467/0,2097 = 11,76 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (11,76 − 36)/6 = −4,04 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = −15,82 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
20·I1 + 8(I1 − I2) = 18
28·I1 − 8·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
10·I2 + 8(I2 − I1) = (−30)
−8·I1 + 18·I2 = −30
Решите
Δ = (28)(18) − (−8)(−8) = 440
I1 = Δ1/Δ = 84/440 = 0,1909 A
I2 = Δ2/Δ = −696/440 = −1,582 A
Ответ
IR2 = I2 = −1,582 A
VR2 = IR2·R2 = −1,582·10 = −15,82 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR2 = −0,06761 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
15·I1 + 30(I1 − I2) = 6
45·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 30(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 65·I2 − 10·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 18·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 31950
I1 = Δ1/Δ = 2820/31950 = 0,08826 A
I2 = Δ2/Δ = −2160/31950 = −0,06761 A
I3 = Δ3/Δ = −22500/31950 = −0,7042 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,06761 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 2,045 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.
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.
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 = −6,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = −17
I₁ + I₂ − I₃ = −25,5
Находим вклады
I₁ = −17 − (−6,5) = −10,5 mA
I₃ = (−6,5 − (−25,5))/2 = 9,5 mA
I₂ = −6,5 − (−10,5) − 9,5 = −5,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = (−10,5) + 9,5 = −1 mA
Ответ
I = −1 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,06122 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 15 = 17,4 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) = 9·3/(12+3) = 1,8 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) = 1,8/(17,4 + 12) = 0,06122 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 38,74 W
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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 6 = 10,62 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) = 6,923 + (−5)·4,615 = −16,15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −16,15 + (−5)·6 = −46,15 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) = −46,15/(10,62 + 30) = −1,136 A
PL = IL²·RL = −1,136²·30 = 38,74 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 5,455 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) = 3·10/(1 + 10) = 2,727 V
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 2,727·(1 + 2/2) = 5,455 V
Ответ
Vout = 5,455 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = 1,512 mA
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 = 1,2/100 = 0,012 mA
I2 = V2/R2 = 1,5/1 = 1,5 mA
If = I1 + I2 = 1,512 mA
Ответ
If = 1,512 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 4,83 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·3,3/(4,7 + 3,3) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 15·3,3/(4,7 + 3,3) = 6,188 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 1,939·68 = 131,8 ms
Кривая заряда
vC(t) = 6,188·(1 − e−200/131,8) = 4,83 V
Ответ
vC = 4,83 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 30,7 µF
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.