Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VA (относительно земли).
Is = 2 AVs = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 10 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VB (относительно земли).
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 10 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
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. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.
R1 = 22 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.
Vs = 10 VR1 = 6,8 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µFt = 100 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,034 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 6·9/(6+9) = 3,6 Ω
Req = R1 + 3,6 = 8 + 3,6 = 11,6 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/11,6 = 1,034 A
Ответ
IR1 = 1,034 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,2957 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 + 6 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 5,625 Ω
R3 + 5,625 = 9,625 Ω
R2 ∥ 9,625 = 4,904 Ω
Req = R1 + 4,904 = 15 + 4,904 = 19,9 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/19,9 = 0,6029 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,6029·15 = 2,957 V
IR2 = VA/R2 = 2,957/10 = 0,2957 A
Ответ
IR2 = 0,2957 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 2,308 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.
Образуем супер-узел
Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.
VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/3 + (VA + 10)/10 = 2
VA = (2 − 10/10)/(1/3 + 1/10) = 2,308 V
VB = 2,308 + 10 = 12,31 V
Ответ
VA = 2,308 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 10,8 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 = 24 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/25 + (VA − 24)/4 + (VA − VB)/8 = 0
0,415·VA − 0,125·VB = 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/25 + (VB − VA)/8 + (VB − 5)/3 = 1,5
−0,125·VA + 0,4983·VB = 3,167
Решите
Δ = (0,415)(0,4983) − (−0,125)(−0,125) = 0,1912
VA = Δ1/Δ = 3,386/0,1912 = 17,71 V
VB = Δ2/Δ = 2,064/0,1912 = 10,8 V
Ответ
VB = 10,8 V
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,071 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
8·I1 + 15(I1 − I2) = 24
23·I1 − 15·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 15(I2 − I1) = (−15)
−15·I1 + 25·I2 = −15
Решите
Δ = (23)(25) − (−15)(−15) = 350
I1 = Δ1/Δ = 375/350 = 1,071 A
I2 = Δ2/Δ = 15/350 = 0,04286 A
Ответ
I1 = 1,071 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = 0,1316 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 24
8·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
25·I2 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 55·I2 − 25·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
20·I3 + 25(I3 − I2) = (−18)
−25·I2 + 45·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 13675
I1 = Δ1/Δ = 42150/13675 = 3,082 A
I2 = Δ2/Δ = 1800/13675 = 0,1316 A
I3 = Δ3/Δ = −4470/13675 = −0,3269 A
Ответ
I2 = 0,1316 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR3 = 0,04688 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 = 3+4 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·7/(12+7) = 4,421 Ω
VA = 9·4,421/(4+4,421) = 4,725 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,725·4/7 = 2,7 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4,725 − 2,7)/3 = 0,675 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 6 = 2,4 Ω
VB = Is·Req = 2·2,4 = 4,8 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,8·3/6 = 2,4 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (2,4 − 4,8)/3 = −0,8 A
Складываем вклады токов
IR3 = IR3′ + IR3″ = 0,675 + (−0,8) = −0,125 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR3 = IR3²·R3 = (−0,125)²·3 = 0,04688 W
Ответ
PR3 = 0,04688 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 3,287 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR2 = −1,062 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.
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 6 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 6 = 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) = 9·6/(3+6) = 6 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 3,07 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 30 = 36,32 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) = 2,526 + 3·6,316 = 21,47 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,47 + 3·30 = 111,5 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 = 111,5/36,32 = 3,07 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 1,182 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 + 100/10 = 11
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/11 = 1,182 V
Ответ
Vin,max = 1,182 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Av = −5,513
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 = −100/22 = −4,545
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/4,7 = 1,213
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −4,545·1,213 = −5,513
Ответ
Av = −5,513
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1751 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.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.