Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 20 V и Is = 10 mA I = 19 mA; при Vs = 2 V и Is = 6 mA I = 1,4 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 20 V и Is = 2 mA.
20 V, 10 mA → 19 mA2 V, 6 mA → 1,4 mAVs = 20 V, Is = 2 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 5.
R1 = 10 kΩAv = 5
Rf = kΩ
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. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.
R1 = 47 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 100 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 15 ms.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 220 mHt = 15 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 250 ms.
Vs = 9 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 15 Vt = 250 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,2089 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 8·11/(8+11) = 4,632 Ω
Req = R1 + 4,632 = 12 + 4,632 = 16,63 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/16,63 = 0,3608 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,3608·12 = 1,671 V
IR2 = VA/R2 = 1,671/8 = 0,2089 A
Ответ
IR2 = 0,2089 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 11,78 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 11,79 Ω
R3 + 11,79 = 15,79 Ω
R2 ∥ 15,79 = 1,775 Ω
Req = R1 + 1,775 = 10 + 1,775 = 11,78 Ω
Ответ
Req = 11,78 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 9,366 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 = 12 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 − 12)/2 + (VA − VB)/8 = 0
0,7083·VA − 0,125·VB = 6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/8 = 2
−0,125·VA + 0,625·VB = 2
Решите
Δ = (0,7083)(0,625) − (−0,125)(−0,125) = 0,4271
VA = Δ1/Δ = 4/0,4271 = 9,366 V
VB = Δ2/Δ = 2,167/0,4271 = 5,073 V
Ответ
VA = 9,366 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 12,46 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 = 24 V, V2 = −36 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/4 + (VA − 24)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,25·VA − 0,5·VB = 12
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/10 + (VB − VA)/2 + (VB − (−36))/30 = (−0,5)
−0,5·VA + 0,6333·VB = −1,7
Решите
Δ = (1,25)(0,6333) − (−0,5)(−0,5) = 0,5417
VA = Δ1/Δ = 6,75/0,5417 = 12,46 V
VB = Δ2/Δ = 3,875/0,5417 = 7,154 V
Ответ
VA = 12,46 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR3 = 10,64 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
5·I1 + 3(I1 − I2) = 30
8·I1 − 3·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 8·I2 = −9
Решите
Δ = (8)(8) − (−3)(−3) = 55
I1 = Δ1/Δ = 213/55 = 3,873 A
I2 = Δ2/Δ = 18/55 = 0,3273 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 3,545 A
VR3 = IR3·R3 = 3,545·3 = 10,64 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = 1,115 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 + 30(I1 − I2) = 24
42·I1 − 30·I2 = 24
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
12·I2 + 30(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 57·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−18)
−15·I2 + 18·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 17442
I1 = Δ1/Δ = 11124/17442 = 0,6378 A
I2 = Δ2/Δ = 1620/17442 = 0,09288 A
I3 = Δ3/Δ = −16092/17442 = −0,9226 A
Ответ
IR2 = I2 = 0,09288 A
VR2 = IR2·R2 = 0,09288·12 = 1,115 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 19,8 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
20·k₁ + 10·k₂ = 19
2·k₁ + 6·k₂ = 1,4
Находим константы
Δ = (20)(6) − (10)(2) = 100
k₁ = Δ1/Δ = 100/100 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −10/100 = −0,1
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,1
Предсказываем новый ток
I = 1·20 + (−0,1)·2 = 19,8 mA
Ответ
I = 19,8 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 0,4274 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) = 15 ∥ 42 = 11,05 Ω
VA = 9·11,05/(2+11,05) = 7,621 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,621·12/42 = 2,177 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (7,621 − 0)/15 = 0,5081 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 = 1,765 Ω, поэтому левый путь — R2+1,765 = 31,76 Ω
Req = R4 ∥ 31,76 = 8,71 Ω
VB = Is·Req = (−4)·8,71 = −34,84 V
VA = VB·1,765/31,76 = −1,935 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−1,935 − 0)/15 = −0,129 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·31,76/43,76 = 13,06 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 13,06·1,765/31,76 = 0,7258 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (0,7258 − 0)/15 = 0,04839 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,5081 + (−0,129) + 0,04839 = 0,4274 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 4,429 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 3 = 4,429 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = −28,67 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 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 6 = 16 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) = 3,333 + (−2)·10 = −16,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −16,67 + (−2)·6 = −28,67 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 40 kΩ
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 неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (5 − 1)·10 = 40 kΩ
Ответ
Rf = 40 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Av = −4,255
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 = −100/47 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 100/100 = 2
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −2,128·2 = −4,255
Ответ
Av = −4,255
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,5422 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.