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 = −0,95 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.
Vs = 9 VR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 1000 ms.
Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 2 Vt = 1000 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,638 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 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
Req = R1 + 3,81 = 15 + 3,81 = 18,81 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/18,81 = 0,638 A
Ответ
IR1 = 0,638 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 11,8 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 = 3 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 7,674 Ω
R3 + 7,674 = 15,67 Ω
R2 ∥ 15,67 = 6,797 Ω
Req = R1 + 6,797 = 5 + 6,797 = 11,8 Ω
Ответ
Req = 11,8 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 28,97 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/15 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,067·VA − 0,5·VB = 6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/2 = 2
−0,5·VA + 0,5667·VB = 2
Решите
Δ = (1,067)(0,5667) − (−0,5)(−0,5) = 0,3544
VA = Δ1/Δ = 4,4/0,3544 = 12,41 V
VB = Δ2/Δ = 5,133/0,3544 = 14,48 V
Мощность, отдаваемая источником тока
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 = 14,48·2 = 28,97 W
Ответ
PIs = 28,97 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 15,96 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 = 9 V, V2 = −6 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/6 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/25 = 0
0,2733·VA − 0,04·VB = 0,6
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/20 + (VB − VA)/25 + (VB − (−6))/8 = 4
−0,04·VA + 0,215·VB = 3,25
Решите
Δ = (0,2733)(0,215) − (−0,04)(−0,04) = 0,05717
VA = Δ1/Δ = 0,259/0,05717 = 4,531 V
VB = Δ2/Δ = 0,9123/0,05717 = 15,96 V
Ответ
VB = 15,96 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 1,157 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
15·I1 + 6(I1 − I2) = 9
21·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 6(I2 − I1) = (−10)
−6·I1 + 9·I2 = −10
Решите
Δ = (21)(9) − (−6)(−6) = 153
I1 = Δ1/Δ = 21/153 = 0,1373 A
I2 = Δ2/Δ = −156/153 = −1,02 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 1,157 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 2,423 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 + 4(I1 − I2) = 15
6·I1 − 4·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 4(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 25·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
30·I3 + 15(I3 − I2) = (−36)
−15·I2 + 45·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4680
I1 = Δ1/Δ = 11340/4680 = 2,423 A
I2 = Δ2/Δ = −540/4680 = −0,1154 A
I3 = Δ3/Δ = −3924/4680 = −0,8385 A
Ответ
IR1 = I1 = 2,423 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 0,2507 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 = 20+20 = 40 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·40/(2+40) = 1,905 Ω
VA = 9·1,905/(15+1,905) = 1,014 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,014·20/40 = 0,507 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 1,014)/15 = 0,5324 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 21,76 = 10,42 Ω
VB = Is·Req = 5·10,42 = 52,11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 52,11·1,765/21,76 = 4,225 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4,225)/15 = −0,2817 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,5324 + (−0,2817) = 0,2507 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 1,099 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 ∥ 19 = 3,958 Ω
VA = 6·3,958/(25+3,958) = 0,8201 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,8201·4/19 = 0,1727 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (0,8201 − 0)/5 = 0,164 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 = 4,167 Ω, поэтому левый путь — R2+4,167 = 19,17 Ω
Req = R4 ∥ 19,17 = 3,309 Ω
VB = Is·Req = 4·3,309 = 13,24 V
VA = VB·4,167/19,17 = 2,878 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (2,878 − 0)/5 = 0,5755 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·19,17/23,17 = 8,273 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,273·4,167/19,17 = 1,799 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,799 − 0)/5 = 0,3597 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,164 + 0,5755 + 0,3597 = 1,099 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 7,059 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 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 12 = 15,53 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) = 24·5/(12+5) = 7,059 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = −0,03846 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 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) = 9,375 + (−1)·3,75 = 5,625 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,625 + (−1)·6 = −0,375 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 = −0,375/9,75 = −0,03846 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −5,473 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.
Коэффициент усиления каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −100/100 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/47 = 1,043
Каскад за каскадом
V1 = −1·(−0,95) = 0,95 V
Vout = 1,043·0,95 = 0,9904 V
Ответ
Vout = 0,9904 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 0,18 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 = 10 mH / 47 Ω = 0,2128 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,1915·(1 − e−1/0,2128) = 0,1897 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·10·0,1897² = 0,18 mJ
Ответ
W = 0,18 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 8,113 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.