Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 10 V и Is = 6 mA I = 7,2 mA; при Vs = 12 V и Is = 2 mA I = 7,6 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 10 V и Is = 3 mA.
10 V, 6 mA → 7,2 mA12 V, 2 mA → 7,6 mAVs = 10 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 3.
R1 = 100 kΩAv = 3
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
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 = −2,6 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 50 ms.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.
Vs = 10 VR = 5 ΩL = 22 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 12,5 V? Найдите t.
Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 9,438 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.
R3 + R4 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 5·11/(5+11) = 3,438 Ω
Req = R1 + 3,438 = 6 + 3,438 = 9,438 Ω
Ответ
Req = 9,438 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,592 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 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 3,6 Ω
R3 + 3,6 = 28,6 Ω
R2 ∥ 28,6 = 3,509 Ω
Req = R1 + 3,509 = 2 + 3,509 = 5,509 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/5,509 = 1,815 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,815·2 = 6,37 V
IR2 = VA/R2 = 6,37/4 = 1,592 A
Ответ
IR2 = 1,592 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = −6 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). 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/8 + (VA − 9)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,275·VA − 0,06667·VB = 0,75
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 = 6 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/6 + (VA − 6)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,625·VA − 0,125·VB = 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/2 + (VB − VA)/8 + (VB − 9)/30 = 1
−0,125·VA + 0,6583·VB = 1,3
Решите
Δ = (0,625)(0,6583) − (−0,125)(−0,125) = 0,3958
VA = Δ1/Δ = 1,479/0,3958 = 3,737 V
VB = Δ2/Δ = 1,063/0,3958 = 2,684 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 3,737)/3 = 0,7544 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,25 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
12·I1 + 2(I1 − I2) = 18
14·I1 − 2·I2 = 18
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 + 2(I2 − I1) = (−6)
−2·I1 + 14·I2 = −6
Решите
Δ = (14)(14) − (−2)(−2) = 192
I1 = Δ1/Δ = 240/192 = 1,25 A
I2 = Δ2/Δ = −48/192 = −0,25 A
Ответ
I2 = −0,25 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,2856 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 5
14·I1 − 10·I2 = 5
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
2·I2 + 10(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 17·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) = (−15)
−5·I2 + 17·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1996
I1 = Δ1/Δ = 570/1996 = 0,2856 A
I2 = Δ2/Δ = −200/1996 = −0,1002 A
I3 = Δ3/Δ = −1820/1996 = −0,9118 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,2856 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 6,6 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
10·k₁ + 6·k₂ = 7,2
12·k₁ + 2·k₂ = 7,6
Находим константы
Δ = (10)(2) − (6)(12) = −52
k₁ = Δ1/Δ = −31,2/−52 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = −10,4/−52 = 0,2
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,2
Предсказываем новый ток
I = 0,6·10 + 0,2·3 = 6,6 mA
Ответ
I = 6,6 mA
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = 1,895 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) = 15 ∥ 7 = 4,773 Ω
VA = 18·4,773/(3+4,773) = 11,05 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,05·4/7 = 6,316 V
VR2′ = VA − VB = 11,05 − 6,316 = 4,737 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 = 2,5 Ω, поэтому левый путь — R2+2,5 = 5,5 Ω
Req = R4 ∥ 5,5 = 2,316 Ω
VB = Is·Req = 1·2,316 = 2,316 V
VA = VB·2,5/5,5 = 1,053 V
VR2″ = VA − VB = 1,053 − 2,316 = −1,263 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 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·5,5/9,5 = 2,895 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,895·2,5/5,5 = 1,316 V
VR2‴ = VA − VB = 1,316 − 2,895 = −1,579 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 4,737 + (−1,263) + (−1,579) = 1,895 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 12,86 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 20 = 22,86 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) = 18·10/(4+10) = 12,86 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 44,57 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 3 = 8,217 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) = 3,478 + 5·5,217 = 29,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 29,57 + 5·3 = 44,57 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 200 kΩ
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 неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (3 − 1)·100 = 200 kΩ
Ответ
Rf = 200 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 12,57 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 = 4,7 kΩ · 2,2 µF = 10,34 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,6)/10,34 = 0,2515 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,6)·50/10,34 = 12,57 V
Ответ
Vout = 12,57 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 20,29 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 = 22 mH / 5 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A
Ток в заданный момент
i(t) = 2·(1 − e−5/4,4) = 1,358 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·22·1,358² = 20,29 mJ
Ответ
W = 20,29 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 221,5 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.