Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −2,3 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.
Через катушку течёт установившийся ток 1,5 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 = 2 ms.
i(0) = 1,5 AR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 11,6 V? Найдите t.
Vs = 10 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 18 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,5305 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
Req = R1 + 6,964 = 10 + 6,964 = 16,96 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/16,96 = 0,5305 A
Ответ
IR1 = 0,5305 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,398 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6 Ω
R3 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3,882 Ω
Req = R1 + 3,882 = 10 + 3,882 = 13,88 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/13,88 = 2,161 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,161·10 = 8,39 V
IR2 = VA/R2 = 8,39/6 = 1,398 A
Ответ
IR2 = 1,398 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,8056 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 = 15 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 − 15)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,3833·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/4 + (VB − VA)/20 = 4
−0,05·VA + 0,3·VB = 4
Решите
Δ = (0,3833)(0,3) − (−0,05)(−0,05) = 0,1125
VA = Δ1/Δ = 1,325/0,1125 = 11,78 V
VB = Δ2/Δ = 1,721/0,1125 = 15,3 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 11,78)/4 = 0,8056 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 0,2722 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 = 24 V, V2 = −15 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/30 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,1333·VA − 0,05·VB = 1,2
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/6 + (VB − VA)/20 + (VB − (−15))/12 = (−2,5)
−0,05·VA + 0,3·VB = −3,75
Решите
Δ = (0,1333)(0,3) − (−0,05)(−0,05) = 0,0375
VA = Δ1/Δ = 0,1725/0,0375 = 4,6 V
VB = Δ2/Δ = −0,44/0,0375 = −11,73 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (−11,73 − −15)/12 = 0,2722 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 1,06 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
5·I1 + 8(I1 − I2) = 15
13·I1 − 8·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
15·I2 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 23·I2 = −12
Решите
Δ = (13)(23) − (−8)(−8) = 235
I1 = Δ1/Δ = 249/235 = 1,06 A
I2 = Δ2/Δ = −36/235 = −0,1532 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,06 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = 0,3593 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
2·I1 + 30(I1 − I2) = 36
32·I1 − 30·I2 = 36
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 + 30(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 56·I2 − 20·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
20·I3 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 40·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 22880
I1 = Δ1/Δ = 57240/22880 = 2,502 A
I2 = Δ2/Δ = 33600/22880 = 1,469 A
I3 = Δ3/Δ = 8220/22880 = 0,3593 A
Ответ
I3 = 0,3593 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 0,7119 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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·28/(6+28) = 4,941 Ω
VA = 12·4,941/(2+4,941) = 8,542 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,542·20/28 = 6,102 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 8,542)/2 = 1,729 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9,5 = 6,441 Ω
VB = Is·Req = 2·6,441 = 12,88 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,88·1,5/9,5 = 2,034 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,034)/2 = −1,017 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,729 + (−1,017) = 0,7119 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 2,108 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) = 5 ∥ 40 = 4,444 Ω
VA = 18·4,444/(10+4,444) = 5,538 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,538·30/40 = 4,154 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (5,538 − 0)/5 = 1,108 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 = 3,333 Ω, поэтому левый путь — R2+3,333 = 13,33 Ω
Req = R4 ∥ 13,33 = 9,231 Ω
VB = Is·Req = 2,5·9,231 = 23,08 V
VA = VB·3,333/13,33 = 5,769 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (5,769 − 0)/5 = 1,154 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·13,33/43,33 = −3,077 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −3,077·3,333/13,33 = −0,7692 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−0,7692 − 0)/5 = −0,1538 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 1,108 + 1,154 + (−0,1538) = 2,108 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 23,75 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 20 = 23,75 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 33,89 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 5 = 8,158 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) = 1,263 + 4·3,158 = 13,89 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,89 + 4·5 = 33,89 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,6809 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 входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 47 kΩ · 0,1 µF = 4,7 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,3)/4,7 = 0,4894 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,3)·20/4,7 = 9,787 V
Ответ
Vout = 9,787 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 39,54 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 = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms
Убывание тока
i(t) = 1,5·e−2/1,5 = 0,3954 A
vR = R·i = 100·0,3954 = 39,54 V
Ответ
vR = 39,54 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 240,8 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.