ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = 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 = −0,15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Через катушку течёт установившийся ток 1 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 5 ms.
i(0) = 1 AR = 50 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 1 ms.
Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 22,55 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 4·7/(4+7) = 2,545 Ω
Req = R1 + 2,545 = 20 + 2,545 = 22,55 Ω
Ответ
Req = 22,55 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 34,25 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 + 20 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 3,407 Ω
R3 + 3,407 = 28,41 Ω
R2 ∥ 28,41 = 4,252 Ω
Req = R1 + 4,252 = 30 + 4,252 = 34,25 Ω
Ответ
Req = 34,25 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 1,988 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 = 9 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/2 + (VA − 9)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,675·VA − 0,125·VB = 0,45
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)/8 = 1
−0,125·VA + 0,175·VB = 1
Решите
Δ = (0,675)(0,175) − (−0,125)(−0,125) = 0,1025
VA = Δ1/Δ = 0,2037/0,1025 = 1,988 V
VB = Δ2/Δ = 0,7313/0,1025 = 7,134 V
Ответ
VA = 1,988 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR2 = −0,1731 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 = 9 V, V2 = −6 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/2 + (VA − 9)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0,85·VA − 0,25·VB = 0,9
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 + 3(I1 − I2) = 9
23·I1 − 3·I2 = 9
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
12·I2 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 15·I2 = −30
Решите
Δ = (23)(15) − (−3)(−3) = 336
I1 = Δ1/Δ = 45/336 = 0,1339 A
I2 = Δ2/Δ = −663/336 = −1,973 A
Ответ
I2 = −1,973 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR4 = 1,827 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 5
17·I1 − 5·I2 = 5
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 + 5(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 33·I2 − 3·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
3·I3 + 3(I3 − I2) = (−9)
−3·I2 + 6·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3063
I1 = Δ1/Δ = 810/3063 = 0,2644 A
I2 = Δ2/Δ = −309/3063 = −0,1009 A
I3 = Δ3/Δ = −4749/3063 = −1,55 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 0,3653 A
VR4 = IR4·R4 = 0,3653·5 = 1,827 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = 0,4017 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.
R3+R4 = 10+3 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
VA = 10·7,879/(6+7,879) = 5,677 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,677·3/13 = 1,31 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (5,677 − 0)/20 = 0,2838 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 14,62 = 2,489 Ω
VB = Is·Req = 3·2,489 = 7,467 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,467·4,615/14,62 = 2,358 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (2,358 − 0)/20 = 0,1179 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,2838 + 0,1179 = 0,4017 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = 14,03 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) = 20 ∥ 23 = 10,7 Ω
VA = 5·10,7/(15+10,7) = 2,081 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,081·8/23 = 0,724 V
VR3′ = VA − 0 = 2,081 − 0 = 2,081 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 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 23,57 Ω
Req = R4 ∥ 23,57 = 5,973 Ω
VB = Is·Req = 4·5,973 = 23,89 V
VA = VB·8,571/23,57 = 8,688 V
VR3″ = VA − 0 = 8,688 − 0 = 8,688 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·23,57/31,57 = 8,959 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,959·8,571/23,57 = 3,258 V
VR3‴ = VA − 0 = 3,258 − 0 = 3,258 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 2,081 + 8,688 + 3,258 = 14,03 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,9677 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 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) = 24·20/(12+20) = 15 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 = 15/15,5 = 0,9677 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 0,6609 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 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 20 = 23,45 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) = 0,6897 + 0,5·3,448 = 2,414 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,414 + 0,5·20 = 12,41 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) = 12,41/(23,45 + 3) = 0,4694 A
PL = IL²·RL = 0,4694²·3 = 0,6609 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 1,2 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
|Av| = Rf/R1 = 10/1 = 10
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/10 = 1,2 V
Ответ
Vin,max = 1,2 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 9,982 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 = −100/4,7 = −21,28
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/4,7 = 3,128
Каскад за каскадом
V1 = −21,28·(−0,15) = 3,191 V
Vout = 3,128·3,191 = 9,982 V
Ответ
Vout = 9,982 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1889 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
τ = L/R = 150 mH / 50 Ω = 3 ms
Убывание тока
i(t) = 1·e−5/3 = 0,1889 A
Ответ
i = 0,1889 A
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1665 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.