Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.
V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 22,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 2 kΩRf = 22 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
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 = −1,2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 1 ms.
Vin = −1,2 VR = 1 kΩC = 1 µFVsat = ±14 Vt = 1 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 10 ms.
Vs = 5 VR = 10 ΩL = 47 mHt = 10 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 9,6 V, ровно через 50 ms после старта. При R = 22 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 12 VVth = 9,6 VT = 50 msR = 22 kΩ
C = µF
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 2,4 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 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 5 + 7,5 = 12,5 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/12,5 = 2,4 A
Ответ
IR1 = 2,4 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 9,967 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 = 25 + 4 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 1,871 Ω
R3 + 1,871 = 7,871 Ω
R2 ∥ 7,871 = 3,967 Ω
Req = R1 + 3,967 = 6 + 3,967 = 9,967 Ω
Ответ
Req = 9,967 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 1,385 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 = 6 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/3 + (VA − 6)/15 + (VA − VB)/2 = 0
0,9·VA − 0,5·VB = 0,4
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.
ЗТК в узле A
VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(22,5 − 18)/10 + 22,5/12 = (VB − 22,5)/2
2,325 = (VB − 22,5)/2 → VB = 27,15 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (27,15 − 22,5)/2 + 27,15/30 = 3,23 A
Ответ
Is = 3,23 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 2,583 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
6·I1 + 6(I1 − I2) = 30
12·I1 − 6·I2 = 30
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
15·I2 + 6(I2 − I1) = (−12)
−6·I1 + 21·I2 = −12
Решите
Δ = (12)(21) − (−6)(−6) = 216
I1 = Δ1/Δ = 558/216 = 2,583 A
I2 = Δ2/Δ = 36/216 = 0,1667 A
Ответ
I1 = 2,583 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,1352 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 + 2(I1 − I2) = 5
27·I1 − 2·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
15·I2 + 2(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 47·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
15·I3 + 30(I3 − I2) = (−6)
−30·I2 + 45·I3 = −6
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 32625
I1 = Δ1/Δ = 5715/32625 = 0,1752 A
I2 = Δ2/Δ = −4410/32625 = −0,1352 A
I3 = Δ3/Δ = −7290/32625 = −0,2234 A
Ответ
I2 = −0,1352 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 10,59 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+2 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
VA = 30·5,455/(5+5,455) = 15,65 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15,65·2/10 = 3,13 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (15,65 − 3,13)/8 = 1,565 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.
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) = 25 ∥ 9 = 6,618 Ω
VA = 36·6,618/(3+6,618) = 24,77 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 24,77·5/9 = 13,76 V
VR3′ = VA − 0 = 24,77 − 0 = 24,77 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 = 2,679 Ω, поэтому левый путь — R2+2,679 = 6,679 Ω
Req = R4 ∥ 6,679 = 2,859 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·2,859 = −4,289 V
VA = VB·2,679/6,679 = −1,72 V
VR3″ = VA − 0 = −1,72 − 0 = −1,72 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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·6,679/11,68 = 13,72 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 13,72·2,679/6,679 = 5,505 V
VR3‴ = VA − 0 = 5,505 − 0 = 5,505 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 24,77 + (−1,72) + 5,505 = 28,56 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 10 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 15 = 18,33 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) = 12·20/(4+20) = 10 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 5,533 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 30 = 38,57 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) = 20,57 + 5·8,571 = 63,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 63,43 + 5·30 = 213,4 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 = 213,4/38,57 = 5,533 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 1,167 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
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/2 = 12
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/12 = 1,167 V
Ответ
Vin,max = 1,167 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 1,2 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 = 1 kΩ · 1 µF = 1 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−1,2)/1 = 1,2 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−1,2)·1/1 = 1,2 V
Ответ
Vout = 1,2 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 0,5956 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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 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 = 5·e−10/4,7 = 0,5956 V
Ответ
vL = 0,5956 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 1,412 µF
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.