Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт VA − VB = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите 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 = 5 V и Is = 10 mA I = 10,5 mA; при Vs = 6 V и Is = 6 mA I = 10,8 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 4 mA.
5 V, 10 mA → 10,5 mA6 V, 6 mA → 10,8 mAVs = 5 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 1,5 VR1 = 100 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −2,2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 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 = 20 VR = 22 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 13,8 V? Найдите t.
Vs = 15 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6 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 = 20·30/(20+30) = 12 Ω
Req = R1 + 12 = 6 + 12 = 18 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/18 = 1 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1·6 = 12 V
IR2 = VA/R2 = 12/20 = 0,6 A
Ответ
IR2 = 0,6 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 4 Ω
R3 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 5 + 3 = 8 Ω
Ответ
Req = 8 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 10,3 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 = 6 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/12 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/2 = 0
0,7083·VA − 0,5·VB = 0,75
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/2 = 1,5
−0,5·VA + 0,55·VB = 1,5
Решите
Δ = (0,7083)(0,55) − (−0,5)(−0,5) = 0,1396
VA = Δ1/Δ = 1,163/0,1396 = 8,328 V
VB = Δ2/Δ = 1,438/0,1396 = 10,3 V
Ответ
VB = 10,3 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 10,56 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 − 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 10)/4 + VA/15 + (VA − 9)/10 = 1
VA·(1/4 + 1/15 + 1/10) = 1 + 10/4 + 9/10 = 4,4
VA = 4,4/0,4167 = 10,56 V
VB = 1,56 V
Ответ
VA = 10,56 V
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,714 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 15
11·I1 − 8·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
8·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 16·I2 = −6
Решите
Δ = (11)(16) − (−8)(−8) = 112
I1 = Δ1/Δ = 192/112 = 1,714 A
I2 = Δ2/Δ = 54/112 = 0,4821 A
Ответ
I1 = 1,714 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR4 = 20,5 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
2·I1 + 6(I1 − I2) = 30
8·I1 − 6·I2 = 30
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 + 6(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 22·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
6·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 16·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1440
I1 = Δ1/Δ = 6840/1440 = 4,75 A
I2 = Δ2/Δ = 1920/1440 = 1,333 A
I3 = Δ3/Δ = 120/1440 = 0,08333 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 3,417 A
VR4 = IR4·R4 = 3,417·6 = 20,5 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 8,7 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
5·k₁ + 10·k₂ = 10,5
6·k₁ + 6·k₂ = 10,8
Находим константы
Δ = (5)(6) − (10)(6) = −30
k₁ = Δ1/Δ = −45/−30 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −9/−30 = 0,3
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = 0,3
Предсказываем новый ток
I = 1,5·5 + 0,3·4 = 8,7 mA
Ответ
I = 8,7 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = 0,1391 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) = 2 ∥ 29 = 1,871 Ω
VA = 5·1,871/(3+1,871) = 1,921 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,921·4/29 = 0,2649 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,2649 − 0)/4 = 0,06623 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 = 1,2 Ω, поэтому левый путь — R2+1,2 = 26,2 Ω
Req = R4 ∥ 26,2 = 3,47 Ω
VB = Is·Req = 1·3,47 = 3,47 V
VA = VB·1,2/26,2 = 0,1589 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (3,47 − 0)/4 = 0,8675 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·26,2/30,2 = 20,82 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 20,82·1,2/26,2 = 0,9536 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (20,82 − 24)/4 = −0,7947 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,06623 + 0,8675 + (−0,7947) = 0,1391 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 27,5 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 6,18 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 10 = 14,29 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) = 2,571 + 6·4,286 = 28,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,29 + 6·10 = 88,29 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 = 88,29/14,29 = 6,18 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 3 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 1,5 V
I = V₋/R1 = 1,5/100 = 0,015 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,5 + 0,015·100 = 3 V
Ответ
Vout = 3 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 10,64 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 2,2 kΩ · 0,47 µF = 1,034 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,2)/1,034 = 2,128 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,2)·5/1,034 = 10,64 V
Ответ
Vout = 10,64 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 23,03 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 = 220 mH / 22 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A
Выразите время
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −10·ln(0,1) = 23,03 ms
Ответ
t = 23,03 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 205,6 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.