Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 2 V и Is = 10 mA I = 6,4 mA; при Vs = 4 V и Is = 1 mA I = 1,4 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 6 V и Is = 3 mA.
2 V, 10 mA → 6,4 mA4 V, 1 mA → 1,4 mAVs = 6 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.
Vs = 9 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µFt = 100 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4 V, ровно через 500 ms после старта. При C = 2,2 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 5 VVth = 4 VT = 500 msC = 2,2 µF
R = kΩ
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,7105 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 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 5·22/(5+22) = 4,074 Ω
Req = R1 + 4,074 = 10 + 4,074 = 14,07 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/14,07 = 0,7105 A
Ответ
IR1 = 0,7105 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,165 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 1,556 Ω
R3 + 1,556 = 7,556 Ω
R2 ∥ 7,556 = 4,304 Ω
Req = R1 + 4,304 = 6 + 4,304 = 10,3 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/10,3 = 1,165 A
Ответ
IR1 = 1,165 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 0,715 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 = 12 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/20 + (VA − 12)/15 + (VA − VB)/12 = 0
0,2·VA − 0,08333·VB = 0,8
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 = 5 V, V2 = 18 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/3 + (VA − 5)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0,6·VA − 0,1·VB = 0,8333
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)/10 + (VB − 18)/2 = 4
−0,1·VA + 0,725·VB = 13
Решите
Δ = (0,6)(0,725) − (−0,1)(−0,1) = 0,425
VA = Δ1/Δ = 1,904/0,425 = 4,48 V
VB = Δ2/Δ = 7,883/0,425 = 18,55 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 4,48)/6 = 0,0866 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,6667 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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 10
13·I1 − 10·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
15·I2 + 10(I2 − I1) = (−10)
−10·I1 + 25·I2 = −10
Решите
Δ = (13)(25) − (−10)(−10) = 225
I1 = Δ1/Δ = 150/225 = 0,6667 A
I2 = Δ2/Δ = −30/225 = −0,1333 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,6667 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = 0,7709 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
6·I1 + 25(I1 − I2) = 18
31·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 25(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 40·I2 − 10·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 + 10(I3 − I2) = (−6)
−10·I2 + 22·I3 = −6
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10430
I1 = Δ1/Δ = 12540/10430 = 1,202 A
I2 = Δ2/Δ = 8040/10430 = 0,7709 A
I3 = Δ3/Δ = 810/10430 = 0,07766 A
Ответ
I2 = 0,7709 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 3 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
2·k₁ + 10·k₂ = 6,4
4·k₁ + 1·k₂ = 1,4
Находим константы
Δ = (2)(1) − (10)(4) = −38
k₁ = Δ1/Δ = −7,6/−38 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = −22,8/−38 = 0,6
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,6
Предсказываем новый ток
I = 0,2·6 + 0,6·3 = 3 mA
Ответ
I = 3 mA
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 1 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) = 12 ∥ 10 = 5,455 Ω
VA = 9·5,455/(30+5,455) = 1,385 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,385·2/10 = 0,2769 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 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 16,57 Ω
Req = R4 ∥ 16,57 = 1,785 Ω
VB = −Is·Req = −2·1,785 = −3,569 V
VA = VB·8,571/16,57 = −1,846 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 = 8,571 Ω
VA‴ = V2·8,571/(2 + 8 + 8,571) = 0,4615·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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 4 = 8 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) = 18·5/(20+5) = 3,6 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 = 3,6/8 = 0,45 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 1,763 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 15 = 16,76 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) = 4,412 + 1,5·1,765 = 7,059 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,059 + 1,5·15 = 29,56 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 = 29,56/16,76 = 1,763 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 940 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 = (21 − 1)·47 = 940 kΩ
Ответ
Rf = 940 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 2,309 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.
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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·2,2/(3,3 + 2,2) = 1,32 kΩ
vC(∞) = 9·2,2/(3,3 + 2,2) = 3,6 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 1,32·33 = 43,56 ms
Кривая заряда
vC(t) = 3,6·(1 − e−100/43,56) = 3,238 V
Ответ
vC = 3,238 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 141,2 kΩ
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.