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 VA (относительно земли).
Is = 2 AVs = 4 VR1 = 10 ΩR2 = 8 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
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 = −0,55 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 100 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 8,2 V? Найдите t.
Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 4 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,8571 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 6 + 3,333 = 9,333 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/9,333 = 1,286 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 1,286·6 = 4,286 V
IR2 = VA/R2 = 4,286/5 = 0,8571 A
Ответ
IR2 = 0,8571 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 13,76 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 = 15 + 30 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 9,474 Ω
R3 + 9,474 = 14,47 Ω
R2 ∥ 14,47 = 9,763 Ω
Req = R1 + 9,763 = 4 + 9,763 = 13,76 Ω
Ответ
Req = 13,76 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 6,667 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.
VB = VA + Vs = VA + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/10 + (VA + 4)/8 = 2
VA = (2 − 4/8)/(1/10 + 1/8) = 6,667 V
VB = 6,667 + 4 = 10,67 V
Ответ
VA = 6,667 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 7,014 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 = 5 V, V2 = −30 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/8 + (VA − 5)/30 + (VA − VB)/8 = 0
0,2833·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/3 + (VB − VA)/8 + (VB − (−30))/2 = 0,5
−0,125·VA + 0,9583·VB = −14,5
Решите
Δ = (0,2833)(0,9583) − (−0,125)(−0,125) = 0,2559
VA = Δ1/Δ = −1,653/0,2559 = −6,459 V
VB = Δ2/Δ = −4,088/0,2559 = −15,97 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (−15,97 − −30)/2 = 7,014 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = −0,5625 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
4·I1 + 5(I1 − I2) = 6
9·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 17·I2 = −24
Решите
Δ = (9)(17) − (−5)(−5) = 128
I1 = Δ1/Δ = −18/128 = −0,1406 A
I2 = Δ2/Δ = −186/128 = −1,453 A
Ответ
IR1 = I1 = −0,1406 A
VR1 = IR1·R1 = −0,1406·4 = −0,5625 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR4 = 7,805 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) = 9
12·I1 − 10·I2 = 9
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
5·I2 + 10(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 30·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
20·I3 + 15(I3 − I2) = (−24)
−15·I2 + 35·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6400
I1 = Δ1/Δ = 3825/6400 = 0,5977 A
I2 = Δ2/Δ = −1170/6400 = −0,1828 A
I3 = Δ3/Δ = −4890/6400 = −0,7641 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 0,7805 A
VR4 = IR4·R4 = 0,7805·10 = 7,805 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR3 = −0,9857 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 = 2+8 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·10/(10+10) = 5 Ω
VA = 15·5/(2+5) = 10,71 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,71·8/10 = 8,571 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (10,71 − 8,571)/2 = 1,071 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 3,667 = 2,514 Ω
VB = Is·Req = 3·2,514 = 7,543 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,543·1,667/3,667 = 3,429 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 21,67 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) = 5 ∥ 31 = 4,306 Ω
VA = 10·4,306/(3+4,306) = 5,894 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,894·25/31 = 4,753 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R3 = 1,875 Ω, поэтому левый путь — R2+1,875 = 7,875 Ω
Req = R4 ∥ 7,875 = 5,989 Ω
VB = −Is·Req = −5·5,989 = −29,94 V
VA = VB·1,875/7,875 = −7,129 V
Случай 3 · действует только V2, на один вольт
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 1,875 Ω
VA‴ = V2·1,875/(25 + 6 + 1,875) = 0,05703·V2
Приравниваем VA к нулю
При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.
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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 6 = 13,5 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,8409 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 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) = 5 + 0,5·6,667 = 8,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,333 + 0,5·8 = 12,33 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 = 12,33/14,67 = 0,8409 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: V− = 1,905 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.
Коэффициент усиления каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −2/2 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/100 = 1,47
Каскад за каскадом
V1 = −1·(−0,55) = 0,55 V
Vout = 1,47·0,55 = 0,8085 V
Ответ
Vout = 0,8085 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 0,0002724 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 = 10 mH / 100 Ω = 0,1 ms
i(∞) = Vs/R = 6/100 = 0,06 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 = 6·e−1/0,1 = 0,0002724 V
Ответ
vL = 0,0002724 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 270,2 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.