Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На инвертирующий 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
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 0,9 VV2 = −1,2 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 90% конечного значения? Найдите t.
Vs = 5 VR = 33 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 20 ms.
Vs = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 22 ΩL = 220 mHt = 20 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,8675 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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
Req = R1 + 3,81 = 12 + 3,81 = 15,81 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/15,81 = 1,139 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,139·12 = 4,337 V
IR2 = VA/R2 = 4,337/5 = 0,8675 A
Ответ
IR2 = 0,8675 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,293 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 36,67 Ω
R2 ∥ 36,67 = 6,567 Ω
Req = R1 + 6,567 = 12 + 6,567 = 18,57 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/18,57 = 1,293 A
Ответ
IR1 = 1,293 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = −1,074 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 = 24 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/12 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,1833·VA − 0,05·VB = 1,2
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 = 18 V, V2 = −5 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 − 18)/20 + (VA − VB)/25 = 0
0,215·VA − 0,04·VB = 0,9
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 + 3(I1 − I2) = 10
9·I1 − 3·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 + 3(I2 − I1) = (−6)
−3·I1 + 18·I2 = −6
Решите
Δ = (9)(18) − (−3)(−3) = 153
I1 = Δ1/Δ = 162/153 = 1,059 A
I2 = Δ2/Δ = −24/153 = −0,1569 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,1569 A
VR2 = IR2·R2 = −0,1569·15 = −2,353 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 1,574 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 24
15·I1 − 5·I2 = 24
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
20·I2 + 5(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 31·I2 − 6·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
3·I3 + 6(I3 − I2) = (−15)
−6·I2 + 9·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3420
I1 = Δ1/Δ = 5382/3420 = 1,574 A
I2 = Δ2/Δ = −270/3420 = −0,07895 A
I3 = Δ3/Δ = −5880/3420 = −1,719 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,574 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR4 = 27,98 W
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 = 15+8 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·23/(4+23) = 3,407 Ω
VA = 10·3,407/(6+3,407) = 3,622 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,622·8/23 = 1,26 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,26 − 0)/8 = 0,1575 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 17,4 = 5,48 Ω
VB = Is·Req = 2,5·5,48 = 13,7 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 13,7·2,4/17,4 = 1,89 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (13,7 − 0)/8 = 1,713 A
Складываем вклады токов
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,1575 + 1,713 = 1,87 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = 1,87²·8 = 27,98 W
Ответ
PR4 = 27,98 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 23,66 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = −0,9775 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) = 12 ∥ 11 = 5,739 Ω
VA = 6·5,739/(2+5,739) = 4,449 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,449·6/11 = 2,427 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 4,449)/12 = −0,3708 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 = 1,714 Ω, поэтому левый путь — R2+1,714 = 6,714 Ω
Req = R4 ∥ 6,714 = 3,169 Ω
VB = Is·Req = 5·3,169 = 15,84 V
VA = VB·1,714/6,714 = 4,045 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 4,045)/12 = −0,3371 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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·6,714/12,71 = 12,67 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 12,67·1,714/6,714 = 3,236 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 3,236)/12 = −0,2697 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,3708) + (−0,3371) + (−0,2697) = −0,9775 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 18 Ω
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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 0,7143 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 5 = 6,429 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) = 7,143 + (−1)·1,429 = 5,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,714 + (−1)·5 = 0,7143 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 1,273 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| = Rf/R1 = 22/2 = 11
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/11 = 1,273 V
Ответ
Vin,max = 1,273 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,78 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.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 0,9/1 = 0,9 mA
I2 = V2/R2 = −1,2/10 = −0,12 mA
If = I1 + I2 = 0,78 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −1·0,78 = −0,78 V
Ответ
Vout = −0,78 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 10,47 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.
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 = 150 mH / 33 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A
Выразите время
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −4,545·ln(0,1) = 10,47 ms
Ответ
t = 10,47 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,6784 A
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
До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.