Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 17 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 17,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = −3 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 17 mA2·V1: I = 17,5 mA−Is: I = −3 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,9 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
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 = 10 VR = 68 ΩL = 68 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 1 ms.
Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,4662 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 + 3 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 12·11/(12+11) = 5,739 Ω
Req = R1 + 5,739 = 20 + 5,739 = 25,74 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/25,74 = 0,4662 A
Ответ
IR1 = 0,4662 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,2044 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 = 8 + 3 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 2,357 Ω
R3 + 2,357 = 6,357 Ω
R2 ∥ 6,357 = 4,465 Ω
Req = R1 + 4,465 = 20 + 4,465 = 24,46 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/24,46 = 0,2044 A
Ответ
IR1 = 0,2044 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 8,71 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 = 30 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/3 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/20 = 0
0,5083·VA − 0,05·VB = 3,75
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/20 = 2,5
−0,05·VA + 0,2167·VB = 2,5
Решите
Δ = (0,5083)(0,2167) − (−0,05)(−0,05) = 0,1076
VA = Δ1/Δ = 0,9375/0,1076 = 8,71 V
VB = Δ2/Δ = 1,458/0,1076 = 13,55 V
Ответ
VA = 8,71 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 0,8115 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 = 12 V, V2 = 5 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/20 + (VA − 12)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,1667·VA − 0,05·VB = 0,8
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/3 + (VB − VA)/20 + (VB − 5)/12 = 6
−0,05·VA + 0,4667·VB = 6,417
Решите
Δ = (0,1667)(0,4667) − (−0,05)(−0,05) = 0,07528
VA = Δ1/Δ = 0,6942/0,07528 = 9,221 V
VB = Δ2/Δ = 1,109/0,07528 = 14,74 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (14,74 − 5)/12 = 0,8115 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −1,44 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
20·I1 + 4(I1 − I2) = 18
24·I1 − 4·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
5·I2 + 4(I2 − I1) = (−15)
−4·I1 + 9·I2 = −15
Решите
Δ = (24)(9) − (−4)(−4) = 200
I1 = Δ1/Δ = 102/200 = 0,51 A
I2 = Δ2/Δ = −288/200 = −1,44 A
Ответ
I2 = −1,44 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,163 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
25·I1 + 15(I1 − I2) = 9
40·I1 − 15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 15(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 31·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
12·I3 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 22·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 18330
I1 = Δ1/Δ = 2988/18330 = 0,163 A
I2 = Δ2/Δ = −3030/18330 = −0,1653 A
I3 = Δ3/Δ = −13875/18330 = −0,757 A
Ответ
I1 = 0,163 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR2 = 0,1692 W
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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·28/(15+28) = 9,767 Ω
VA = 6·9,767/(6+9,767) = 3,717 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,717·20/28 = 2,655 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (3,717 − 0)/15 = 0,2478 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R2 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 12,29 = 7,611 Ω
VB = −Is·Req = −2·7,611 = −15,22 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −15,22·4,286/12,29 = −5,31 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (−5,31 − 0)/15 = −0,354 A
Складываем вклады токов
IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,2478 + (−0,354) = −0,1062 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR2 = IR2²·R2 = (−0,1062)²·15 = 0,1692 W
Ответ
PR2 = 0,1692 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 2,801 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: I = 10,5 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 измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 17
2·I₁ + I₂ + I₃ = 17,5
I₁ + I₂ − I₃ = −3
Находим вклады
I₁ = 17,5 − 17 = 0,5 mA
I₃ = (17 − (−3))/2 = 10 mA
I₂ = 17 − 0,5 − 10 = 6,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 0,5 + 10 = 10,5 mA
Ответ
I = 10,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,5 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 2 = 6 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) = 30·20/(5+20) = 24 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) = 24/(6 + 10) = 1,5 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 17,29 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 8 = 13,71 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) = 3,571 + 1·5,714 = 9,286 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,286 + 1·8 = 17,29 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,991 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₊ = 0,9 V
I = V₋/R1 = 0,9/22 = 0,04091 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,9 + 0,04091·100 = 4,991 V
Ответ
Vout = 4,991 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,154 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 = 0,5/2 = 0,25 mA
I2 = V2/R2 = −0,1/22 = −0,004545 mA
If = I1 + I2 = 0,2455 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −4,7·0,2455 = −1,154 V
Ответ
Vout = −1,154 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 2,303 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 = 68 mH / 68 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/68 = 0,1471 A
Выразите время
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1·ln(0,1) = 2,303 ms
Ответ
t = 2,303 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1165 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 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.