Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VB (относительно земли).
V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 1 VRa = 1 kΩRb = 1 kΩR1 = 2 kΩRf = 4,7 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 = −2,3 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.
Vin = −2,3 VR = 4,7 kΩC = 4,7 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.
i(0) = 2 AR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 3 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 6,6 V? Найдите t.
Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,898 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 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 3·28/(3+28) = 2,71 Ω
Req = R1 + 2,71 = 3 + 2,71 = 5,71 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/5,71 = 2,102 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 2,102·3 = 5,695 V
IR2 = VA/R2 = 5,695/3 = 1,898 A
Ответ
IR2 = 1,898 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 3,428 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,091 Ω
R3 + 5,091 = 15,09 Ω
R2 ∥ 15,09 = 2,503 Ω
Req = R1 + 2,503 = 8 + 2,503 = 10,5 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/10,5 = 3,428 A
Ответ
IR1 = 3,428 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 15,59 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 = 10 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/8 + (VA − 10)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 1,25
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,325·VB = 4
Решите
Δ = (0,375)(0,325) − (−0,125)(−0,125) = 0,1063
VA = Δ1/Δ = 0,9063/0,1063 = 8,529 V
VB = Δ2/Δ = 1,656/0,1063 = 15,59 V
Ответ
VB = 15,59 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 5,33 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.
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
6·I1 + 3(I1 − I2) = 15
9·I1 − 3·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 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 11·I2 = −15
Решите
Δ = (9)(11) − (−3)(−3) = 90
I1 = Δ1/Δ = 120/90 = 1,333 A
I2 = Δ2/Δ = −90/90 = −1 A
Ответ
IR2 = I2 = −1 A
VR2 = IR2·R2 = −1·8 = −8 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 10,24 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 + 10(I1 − I2) = 30
12·I1 − 10·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
2·I2 + 10(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 17·I2 − 5·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
10·I3 + 5(I3 − I2) = (−9)
−5·I2 + 15·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1260
I1 = Δ1/Δ = 6450/1260 = 5,119 A
I2 = Δ2/Δ = 3960/1260 = 3,143 A
I3 = Δ3/Δ = 564/1260 = 0,4476 A
Ответ
IR1 = I1 = 5,119 A
VR1 = IR1·R1 = 5,119·2 = 10,24 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 2 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.
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.
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) = 30 ∥ 10 = 7,5 Ω
VA = 18·7,5/(8+7,5) = 8,71 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,71·6/10 = 5,226 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (8,71 − 0)/30 = 0,2903 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 = 6,316 Ω, поэтому левый путь — R2+6,316 = 10,32 Ω
Req = R4 ∥ 10,32 = 3,794 Ω
VB = Is·Req = 6·3,794 = 22,76 V
VA = VB·6,316/10,32 = 13,94 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (13,94 − 0)/30 = 0,4645 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·10,32/16,32 = −5,69 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,69·6,316/10,32 = −3,484 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR3 = IR3²·R3 = 0,6387²·30 = 12,24 W
Ответ
PR3 = 12,24 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 9,406 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,8 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 5 = 10,71 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) = 12·20/(8+20) = 8,571 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 = 8,571/10,71 = 0,8 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 140 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 20 = 22,18 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) = 21,82 + 6·2,182 = 34,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 34,91 + 6·20 = 154,9 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) = 154,9/(22,18 + 4) = 5,917 A
PL = IL²·RL = 5,917²·4 = 140 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 1,675 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.
Напряжение на входе +
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 1·1/(1 + 1) = 0,5 V
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,5·(1 + 4,7/2) = 1,675 V
Ответ
Vout = 1,675 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: t = 124,9 ms
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 = 4,7 kΩ · 4,7 µF = 22,09 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,3)/22,09 = 0,1041 V/ms
Время до насыщения
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·22,09/2,3 = 124,9 ms
Ответ
t = 124,9 ms
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 22,62 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.
Постоянная времени
τ = L/R = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
Убывание тока
i(t) = 2·e−1/0,7021 = 0,4814 A
vR = R·i = 47·0,4814 = 22,62 V
Ответ
vR = 22,62 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 665,2 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.