Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,2·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.
V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 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 = 24,5 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 26 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 0,5 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 24,5 mA2·V1: I = 26 mA−Is: I = 0,5 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 15 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩRL = 15 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 6 VIs = 0,5 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,1 VR1 = 22 kΩRf = 100 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 = 0,5 VV2 = 1,9 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 22 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 = 100 ms.
Vs = 20 VR1 = 6,8 kΩR2 = 4,7 kΩC = 47 µFt = 100 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 8,6 V? Найдите t.
Vs = 10 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,225 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 + 3 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R1 + 2,222 = 20 + 2,222 = 22,22 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/22,22 = 0,405 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,405·20 = 0,9 V
IR2 = VA/R2 = 0,9/4 = 0,225 A
Ответ
IR2 = 0,225 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 3,574 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 + 15 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 5,294 Ω
R3 + 5,294 = 10,29 Ω
R2 ∥ 10,29 = 5,072 Ω
Req = R1 + 5,072 = 5 + 5,072 = 10,07 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/10,07 = 3,574 A
Ответ
IR1 = 3,574 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 56,28 W
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 подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/4 = 0
0,6333·VA − 0,25·VB = 8
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/4 = 2,5
−0,25·VA + 0,35·VB = 2,5
Решите
Δ = (0,6333)(0,35) − (−0,25)(−0,25) = 0,1592
VA = Δ1/Δ = 3,425/0,1592 = 21,52 V
VB = Δ2/Δ = 3,583/0,1592 = 22,51 V
Мощность, отдаваемая источником тока
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 22,51·2,5 = 56,28 W
Ответ
PIs = 56,28 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 12 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.
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
0,4167·VA − 0,25·VB = 2
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.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,2·VA
−0,45·VA + 0,45·VB = 0
Решите
Δ = (0,4167)(0,45) − (−0,25)(−0,45) = 0,075
VA = Δ1/Δ = 0,9/0,075 = 12 V
VB = Δ2/Δ = 0,9/0,075 = 12 V
Ответ
VB = 12 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = −13,14 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 10
11·I1 − 8·I2 = 10
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) = (−24)
−8·I1 + 16·I2 = −24
Решите
Δ = (11)(16) − (−8)(−8) = 112
I1 = Δ1/Δ = −32/112 = −0,2857 A
I2 = Δ2/Δ = −184/112 = −1,643 A
Ответ
IR2 = I2 = −1,643 A
VR2 = IR2·R2 = −1,643·8 = −13,14 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −1,888 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 + 4(I1 − I2) = 6
8·I1 − 4·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
5·I2 + 4(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 34·I2 − 25·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 + 25(I3 − I2) = (−24)
−25·I2 + 31·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2936
I1 = Δ1/Δ = 174/2936 = 0,05926 A
I2 = Δ2/Δ = −4056/2936 = −1,381 A
I3 = Δ3/Δ = −5544/2936 = −1,888 A
Ответ
I3 = −1,888 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 4,286 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 = 2+4 = 6 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
VA = 30·2,4/(3+2,4) = 13,33 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 13,33·4/6 = 8,889 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (13,33 − 8,889)/2 = 2,222 A
Случай 2 · действует только Is
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 = 24,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 26
I₁ + I₂ − I₃ = 0,5
Находим вклады
I₁ = 26 − 24,5 = 1,5 mA
I₃ = (24,5 − 0,5)/2 = 12 mA
I₂ = 24,5 − 1,5 − 12 = 11 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 1,5 + 12 = 13,5 mA
Ответ
I = 13,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,06667 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 15 = 23,57 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) = 6·15/(20+15) = 2,571 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) = 2,571/(23,57 + 15) = 0,06667 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 7,8 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 6 = 8,4 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) = 3,6 + 0,5·2,4 = 4,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,8 + 0,5·6 = 7,8 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,5545 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₊ = 0,1 V
I = V₋/R1 = 0,1/22 = 0,004545 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,1 + 0,004545·100 = 0,5545 V
Ответ
Vout = 0,5545 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = 0,5864 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 = 0,5/1 = 0,5 mA
I2 = V2/R2 = 1,9/22 = 0,08636 mA
If = I1 + I2 = 0,5864 mA
Ответ
If = 0,5864 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 4,373 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 = 6,8·4,7/(6,8 + 4,7) = 2,779 kΩ
vC(∞) = 20·4,7/(6,8 + 4,7) = 8,174 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 2,779·47 = 130,6 ms
Кривая заряда
vC(t) = 8,174·(1 − e−100/130,6) = 4,373 V
Ответ
vC = 4,373 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 53,36 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.