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 = 4 VR1 = 5 ΩR2 = 12 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 6.
R1 = 2 kΩAv = 6
Rf = kΩ
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 = 1 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 2 kΩ
Av =
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 = 10 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 10 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 8 V? Найдите t.
Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 10 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,8667 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 = 8 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 6·13/(6+13) = 4,105 Ω
Req = R1 + 4,105 = 3 + 4,105 = 7,105 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/7,105 = 1,267 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 1,267·3 = 5,2 V
IR2 = VA/R2 = 5,2/6 = 0,8667 A
Ответ
IR2 = 0,8667 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,2646 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 16,67 Ω
R2 ∥ 16,67 = 7,895 Ω
Req = R1 + 7,895 = 12 + 7,895 = 19,89 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/19,89 = 0,5026 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,5026·12 = 3,968 V
IR2 = VA/R2 = 3,968/15 = 0,2646 A
Ответ
IR2 = 0,2646 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 5,882 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 + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/5 + (VA + 4)/12 = 2
VA = (2 − 4/12)/(1/5 + 1/12) = 5,882 V
VB = 5,882 + 4 = 9,882 V
Ответ
VA = 5,882 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = −0,6404 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, V2 = 15 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/10 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/2 = 0
0,7·VA − 0,5·VB = 0,6
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/3 + (VB − VA)/2 + (VB − 15)/15 = 1,5
−0,5·VA + 0,9·VB = 2,5
Решите
Δ = (0,7)(0,9) − (−0,5)(−0,5) = 0,38
VA = Δ1/Δ = 1,79/0,38 = 4,711 V
VB = Δ2/Δ = 2,05/0,38 = 5,395 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (5,395 − 15)/15 = −0,6404 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = −0,5786 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
10·I1 + 6(I1 − I2) = 9
16·I1 − 6·I2 = 9
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
5·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 11·I2 = −30
Решите
Δ = (16)(11) − (−6)(−6) = 140
I1 = Δ1/Δ = −81/140 = −0,5786 A
I2 = Δ2/Δ = −426/140 = −3,043 A
Ответ
IR1 = I1 = −0,5786 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 0,1411 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) = 24
27·I1 − 2·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
3·I2 + 2(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 35·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
12·I3 + 30(I3 − I2) = (−12)
−30·I2 + 42·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 15222
I1 = Δ1/Δ = 12960/15222 = 0,8514 A
I2 = Δ2/Δ = −7704/15222 = −0,5061 A
I3 = Δ3/Δ = −9852/15222 = −0,6472 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 0,1411 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = −1,5 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+4 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·12/(12+12) = 6 Ω
VA = 18·6/(10+6) = 6,75 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,75·4/12 = 2,25 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (6,75 − 18)/10 = −1,125 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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 13,45 = 3,083 Ω
VB = Is·Req = (−3)·3,083 = −9,25 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −9,25·5,455/13,45 = −3,75 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (−3,75 − 0)/10 = −0,375 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−1,125) + (−0,375) = −1,5 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: PR3 = 28,69 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VA = 18·4,2/(25+4,2) = 2,589 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,589·6/14 = 1,11 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (2,589 − 0)/6 = 0,4315 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 = 4,839 Ω, поэтому левый путь — R2+4,839 = 12,84 Ω
Req = R4 ∥ 12,84 = 4,089 Ω
VB = Is·Req = 6·4,089 = 24,53 V
VA = VB·4,839/12,84 = 9,247 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (9,247 − 0)/6 = 1,541 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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·12,84/18,84 = 3,408 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,408·4,839/12,84 = 1,284 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR3 = IR3²·R3 = 2,187²·6 = 28,69 W
Ответ
PR3 = 28,69 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 15,64 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 18 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 12 = 14,4 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) = 30·6/(4+6) = 18 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,346 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 15 = 17,22 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) = 10 + 1·2,222 = 12,22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,22 + 1·15 = 27,22 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 27,22/(17,22 + 3) = 1,346 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 10 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 = (6 − 1)·2 = 10 kΩ
Ответ
Rf = 10 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Av = −2,182
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 = −2/1 = −2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/22 = 1,091
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −2·1,091 = −2,182
Ответ
Av = −2,182
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 2,303 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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A
Выразите время
0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1·ln(0,1) = 2,303 ms
Ответ
t = 2,303 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 16,86 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.