Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 5 VRa = 47 kΩRb = 22 kΩR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
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. Входное напряжение Vin = −1 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 10 ms.
Vs = 9 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 5 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 12,6 V? Найдите t.
Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 5 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,6842 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 + 3 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Req = R1 + 4,615 = 10 + 4,615 = 14,62 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/14,62 = 0,6842 A
Ответ
IR1 = 0,6842 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 3,702 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 + 25 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 17,19 Ω
R3 + 17,19 = 42,19 Ω
R2 ∥ 42,19 = 6,725 Ω
Req = R1 + 6,725 = 3 + 6,725 = 9,725 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/9,725 = 3,702 A
Ответ
IR1 = 3,702 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 13,75 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). 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/15 + (VA − 24)/4 + (VA − VB)/6 = 0
0,4833·VA − 0,1667·VB = 6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 = 5 V, V2 = −24 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/5 + (VA − 5)/30 + (VA − VB)/8 = 0
0,3583·VA − 0,125·VB = 0,1667
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)/8 + (VB − (−24))/6 = 4
−0,125·VA + 0,3917·VB = 0
Решите
Δ = (0,3583)(0,3917) − (−0,125)(−0,125) = 0,1247
VA = Δ1/Δ = 0,06528/0,1247 = 0,5234 V
VB = Δ2/Δ = 0,02083/0,1247 = 0,167 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (0,167 − −24)/6 = 4,028 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 8,571 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 + 20(I1 − I2) = 24
25·I1 − 20·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 30·I2 = −6
Решите
Δ = (25)(30) − (−20)(−20) = 350
I1 = Δ1/Δ = 600/350 = 1,714 A
I2 = Δ2/Δ = 330/350 = 0,9429 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,714 A
VR1 = IR1·R1 = 1,714·5 = 8,571 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,297 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 + 8(I1 − I2) = 12
33·I1 − 8·I2 = 12
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 + 8(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 50·I2 − 30·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
30·I3 + 30(I3 − I2) = (−24)
−30·I2 + 60·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 65460
I1 = Δ1/Δ = 19440/65460 = 0,297 A
I2 = Δ2/Δ = −18000/65460 = −0,275 A
I3 = Δ3/Δ = −35184/65460 = −0,5375 A
Ответ
I1 = 0,297 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 0,275 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) = 20·28/(20+28) = 11,67 Ω
VA = 24·11,67/(15+11,67) = 10,5 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,5·20/28 = 7,5 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 10,5)/15 = 0,9 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 16,57 = 9,063 Ω
VB = Is·Req = 2·9,063 = 18,13 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 18,13·8,571/16,57 = 9,375 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 9,375)/15 = −0,625 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,9 + (−0,625) = 0,275 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = −1,746 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) = 12 ∥ 33 = 8,8 Ω
VA = 9·8,8/(8+8,8) = 4,714 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,714·8/33 = 1,143 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,143 − 0)/8 = 0,1429 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 = 4,8 Ω, поэтому левый путь — R2+4,8 = 29,8 Ω
Req = R4 ∥ 29,8 = 6,307 Ω
VB = Is·Req = (−3)·6,307 = −18,92 V
VA = VB·4,8/29,8 = −3,048 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−18,92 − 0)/8 = −2,365 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·29,8/37,8 = −14,19 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −14,19·4,8/29,8 = −2,286 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−14,19 − −18)/8 = 0,4762 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1429 + (−2,365) + 0,4762 = −1,746 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 4,5 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 3 = 4,5 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 27,78 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 10 = 14,44 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) = 13,33 + 1·4,444 = 17,78 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17,78 + 1·10 = 27,78 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 5 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) = 5·22/(47 + 22) = 1,594 V
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1,594·(1 + 47/22) = 5 V
Ответ
Vout = 5 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 10,1 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.
Коэффициент усиления каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −10/1 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/100 = 1,01
Каскад за каскадом
V1 = −10·(−1) = 10 V
Vout = 1,01·10 = 10,1 V
Ответ
Vout = 10,1 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 2,076 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 и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 150 mH / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−10/6,818 = 2,076 V
Ответ
vL = 2,076 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 247,2 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.