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 = 1 AVs = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 5 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 ΩVA = 5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.
V1 = 30 VV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 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 = 1 kΩRf = 4,7 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 = −1,5 VV2 = 1,7 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 0,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,125 A? Найдите t.
i(0) = 0,5 AR = 10 ΩL = 10 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 = 1 ms.
Vs = 24 VR1 = 47 ΩR2 = 33 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 4,175 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 + 2 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 20·7/(20+7) = 5,185 Ω
Req = R1 + 5,185 = 2 + 5,185 = 7,185 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/7,185 = 4,175 A
Ответ
IR1 = 4,175 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,151 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 = 9,375 Ω
R3 + 9,375 = 21,38 Ω
R2 ∥ 21,38 = 4,685 Ω
Req = R1 + 4,685 = 4 + 4,685 = 8,685 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/8,685 = 1,151 A
Ответ
IR1 = 1,151 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = −2,462 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 + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/8 + (VA + 9)/5 = 1
VA = (1 − 9/5)/(1/8 + 1/5) = −2,462 V
VB = −2,462 + 9 = 6,538 V
Ответ
VA = −2,462 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 0,6944 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.
ЗТК в узле A
VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(5 − 9)/4 + 5/12 = (VB − 5)/2
−0,5833 = (VB − 5)/2 → VB = 3,833 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (3,833 − 5)/2 + 3,833/3 = 0,6944 A
Ответ
Is = 0,6944 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = −12,31 V
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
12·I1 + 2(I1 − I2) = 30
14·I1 − 2·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 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 17·I2 = −18
Решите
Δ = (14)(17) − (−2)(−2) = 234
I1 = Δ1/Δ = 474/234 = 2,026 A
I2 = Δ2/Δ = −192/234 = −0,8205 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,8205 A
VR2 = IR2·R2 = −0,8205·15 = −12,31 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 3,655 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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 36
10·I1 − 5·I2 = 36
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) + 30(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 55·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
6·I3 + 30(I3 − I2) = (−18)
−30·I2 + 36·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9900
I1 = Δ1/Δ = 36180/9900 = 3,655 A
I2 = Δ2/Δ = 1080/9900 = 0,1091 A
I3 = Δ3/Δ = −4050/9900 = −0,4091 A
Ответ
I1 = 3,655 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 2,279 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 = 4+20 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·24/(10+24) = 7,059 Ω
VA = 18·7,059/(6+7,059) = 9,73 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,73·20/24 = 8,108 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 9,73)/6 = 1,378 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 7,75 = 5,586 Ω
VB = Is·Req = (−2)·5,586 = −11,17 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −11,17·3,75/7,75 = −5,405 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −5,405)/6 = 0,9009 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,378 + 0,9009 = 2,279 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: PR4 = 9,383 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) = 25 ∥ 18 = 10,47 Ω
VA = 10·10,47/(4+10,47) = 7,235 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,235·12/18 = 4,823 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (4,823 − 0)/12 = 0,4019 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 = 3,448 Ω, поэтому левый путь — R2+3,448 = 9,448 Ω
Req = R4 ∥ 9,448 = 5,286 Ω
VB = Is·Req = 3·5,286 = 15,86 V
VA = VB·3,448/9,448 = 5,788 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (15,86 − 0)/12 = 1,322 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 = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·9,448/21,45 = 7,929 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7,929·3,448/9,448 = 2,894 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = 0,8842²·12 = 9,383 W
Ответ
PR4 = 9,383 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 31,35 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 1,304 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 3 = 5,609 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) = 10·3/(20+3) = 1,304 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 45 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 10 = 13,75 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) = 3,75 + 3·3,75 = 15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15 + 3·10 = 45 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 2,979 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 = 4,7/1 = 4,7
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/4,7 = 2,979 V
Ответ
Vin,max = 2,979 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −3,1 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 = −1,5/10 = −0,15 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/1 = 1,7 mA
If = I1 + I2 = 1,55 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −2·1,55 = −3,1 V
Ответ
Vout = −3,1 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,386 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
τ = L/R = 10 mH / 10 Ω = 1 ms
Выразите время
0,125 = 0,5·e−t/τ → t = τ·ln(0,5/0,125)
t = 1·ln(4) = 1,386 ms
Ответ
t = 1,386 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,4051 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.