Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,4·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 6 V и Is = 6 mA I = 1,8 mA; при Vs = 15 V и Is = 5 mA I = 3,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 3 mA.
6 V, 6 mA → 1,8 mA15 V, 5 mA → 3,5 mAVs = 5 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,5 VV2 = −1,1 VR1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 15 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 15,3 V? Найдите t.
Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,532 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 3·17/(3+17) = 2,55 Ω
Req = R1 + 2,55 = 3 + 2,55 = 5,55 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/5,55 = 1,802 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,802·3 = 4,595 V
IR2 = VA/R2 = 4,595/3 = 1,532 A
Ответ
IR2 = 1,532 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 3,297 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 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 5,1 Ω
R3 + 5,1 = 9,1 Ω
R2 ∥ 9,1 = 1,64 Ω
Req = R1 + 1,64 = 2 + 1,64 = 3,64 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/3,64 = 3,297 A
Ответ
IR1 = 3,297 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 6,569 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/6 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,4667·VA − 0,05·VB = 2,5
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)/20 = 2,5
−0,05·VA + 0,25·VB = 2,5
Решите
Δ = (0,4667)(0,25) − (−0,05)(−0,05) = 0,1142
VA = Δ1/Δ = 0,75/0,1142 = 6,569 V
VB = Δ2/Δ = 1,292/0,1142 = 11,31 V
Ответ
VA = 6,569 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 8,75 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
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,2667·VA − 0,06667·VB = 2,5
ЗТК в узле B
Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.
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
12·I1 + 15(I1 − I2) = 15
27·I1 − 15·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
20·I2 + 15(I2 − I1) = (−10)
−15·I1 + 35·I2 = −10
Решите
Δ = (27)(35) − (−15)(−15) = 720
I1 = Δ1/Δ = 375/720 = 0,5208 A
I2 = Δ2/Δ = −45/720 = −0,0625 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,0625 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 0,6699 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
4·I1 + 20(I1 − I2) = 12
24·I1 − 20·I2 = 12
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
30·I2 + 20(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 56·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−5)
−6·I2 + 8·I3 = −5
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6688
I1 = Δ1/Δ = 4344/6688 = 0,6495 A
I2 = Δ2/Δ = 1200/6688 = 0,1794 A
I3 = Δ3/Δ = −3280/6688 = −0,4904 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 0,6699 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 1,3 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
6·k₁ + 6·k₂ = 1,8
15·k₁ + 5·k₂ = 3,5
Находим константы
Δ = (6)(5) − (6)(15) = −60
k₁ = Δ1/Δ = −12/−60 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = −6/−60 = 0,1
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,1
Предсказываем новый ток
I = 0,2·5 + 0,1·3 = 1,3 mA
Ответ
I = 1,3 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = 1,706 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.
R3 ∥ (R2+R4) = 6 ∥ 45 = 5,294 Ω
VA = 15·5,294/(25+5,294) = 2,621 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,621·15/45 = 0,8738 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,8738 − 0)/15 = 0,05825 A
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 = 4,839 Ω, поэтому левый путь — R2+4,839 = 34,84 Ω
Req = R4 ∥ 34,84 = 10,49 Ω
VB = Is·Req = 2,5·10,49 = 26,21 V
VA = VB·4,839/34,84 = 3,641 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (26,21 − 0)/15 = 1,748 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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·34,84/49,84 = 3,495 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,495·4,839/34,84 = 0,4854 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3,495 − 5)/15 = −0,1003 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,05825 + 1,748 + (−0,1003) = 1,706 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,3913 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 15 = 16,43 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) = 9·5/(2+5) = 6,429 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 = 6,429/16,43 = 0,3913 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 44,11 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 30 = 33 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) = 6,75 + 3·3 = 15,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,75 + 3·30 = 105,8 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) = 105,8/(33 + 6) = 2,712 A
PL = IL²·RL = 2,712²·6 = 44,11 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,35 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 = 1,5/10 = 0,15 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/2 = −0,55 mA
If = I1 + I2 = −0,4 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −1·(−0,4) = 0,4 V
Ответ
Vout = 0,4 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1088 A
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.
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.