Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 6 V и Is = 2 mA I = 5,4 mA; при Vs = 10 V и Is = 8 mA I = 10,4 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 4 V и Is = 8 mA.
6 V, 2 mA → 5,4 mA10 V, 8 mA → 10,4 mAVs = 4 V, Is = 8 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 2 VRa = 4,7 kΩRb = 1 kΩR1 = 1 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 2 VV2 = 1,3 VR1 = 100 kΩR2 = 47 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.
Vs = 15 VR = 15 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
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 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,019 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 2·19/(2+19) = 1,81 Ω
Req = R1 + 1,81 = 8 + 1,81 = 9,81 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/9,81 = 1,019 A
Ответ
IR1 = 1,019 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,192 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 + 5 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 4,737 Ω
R3 + 4,737 = 10,74 Ω
R2 ∥ 10,74 = 6,258 Ω
Req = R1 + 6,258 = 25 + 6,258 = 31,26 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/31,26 = 0,192 A
Ответ
IR1 = 0,192 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 21,82 W
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.
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/20 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,2·VA − 0,06667·VB = 2
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 10,91·2 = 21,82 W
Ответ
PIs = 21,82 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR2 = −2,123 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 = −9 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/2 + (VA − 24)/25 + (VA − VB)/2 = 0
1,04·VA − 0,5·VB = 0,96
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/8 + (VB − VA)/2 + (VB − (−9))/30 = 4
−0,5·VA + 0,6583·VB = 3,7
Решите
Δ = (1,04)(0,6583) − (−0,5)(−0,5) = 0,4347
VA = Δ1/Δ = 2,482/0,4347 = 5,71 V
VB = Δ2/Δ = 4,328/0,4347 = 9,957 V
Ответ
IR2 = (VA − VB)/R2 = (5,71 − 9,957)/2 = −2,123 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 1,429 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
20·I1 + 20(I1 − I2) = 10
40·I1 − 20·I2 = 10
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
4·I2 + 20(I2 − I1) = (−10)
−20·I1 + 24·I2 = −10
Решите
Δ = (40)(24) − (−20)(−20) = 560
I1 = Δ1/Δ = 40/560 = 0,07143 A
I2 = Δ2/Δ = −200/560 = −0,3571 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,07143 A
VR1 = IR1·R1 = 0,07143·20 = 1,429 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 1,011 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 + 4(I1 − I2) = 6
29·I1 − 4·I2 = 6
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
4·I2 + 4(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 13·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
12·I3 + 5(I3 − I2) = (−24)
−5·I2 + 17·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5412
I1 = Δ1/Δ = 696/5412 = 0,1286 A
I2 = Δ2/Δ = −3072/5412 = −0,5676 A
I3 = Δ3/Δ = −8544/5412 = −1,579 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 1,011 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 5,6 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
6·k₁ + 2·k₂ = 5,4
10·k₁ + 8·k₂ = 10,4
Находим константы
Δ = (6)(8) − (2)(10) = 28
k₁ = Δ1/Δ = 22,4/28 = 0,8
k₂ = Δ2/Δ = 8,4/28 = 0,3
k₁ = 0,8 mA/V, k₂ = 0,3
Предсказываем новый ток
I = 0,8·4 + 0,3·8 = 5,6 mA
Ответ
I = 5,6 mA
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = 27,5 V
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) = 8 ∥ 40 = 6,667 Ω
VA = 36·6,667/(2+6,667) = 27,69 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 27,69·20/40 = 13,85 V
VR3′ = VA − 0 = 27,69 − 0 = 27,69 V
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 = 1,6 Ω, поэтому левый путь — R2+1,6 = 21,6 Ω
Req = R4 ∥ 21,6 = 10,38 Ω
VB = Is·Req = (−1)·10,38 = −10,38 V
VA = VB·1,6/21,6 = −0,7692 V
VR3″ = VA − 0 = −0,7692 − 0 = −0,7692 V
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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·21,6/41,6 = 7,788 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7,788·1,6/21,6 = 0,5769 V
VR3‴ = VA − 0 = 0,5769 − 0 = 0,5769 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 27,69 + (−0,7692) + 0,5769 = 27,5 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 10,61 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 8 = 10,61 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = −1,577 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 25 = 27,31 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) = 11,54 + (−2)·2,308 = 6,923 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,923 + (−2)·25 = −43,08 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 = −43,08/27,31 = −1,577 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 8,07 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.
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 = 2/100 = 0,02 mA
I2 = V2/R2 = 1,3/47 = 0,02766 mA
If = I1 + I2 = 0,04766 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −47·0,04766 = −2,24 V
Ответ
Vout = −2,24 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W(∞) = 23,5 mJ
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 = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A
Запасённая энергия
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·1² = 23,5 mJ
Ответ
W(∞) = 23,5 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 1,253 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.