Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 10 V и Is = 10 mA I = 17,5 mA; при Vs = 12 V и Is = 1 mA I = 23,75 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 1 mA.
10 V, 10 mA → 17,5 mA12 V, 1 mA → 23,75 mAVs = 5 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.
К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
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 = 4,7 kΩRf = 22 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.
Vs = 9 VR = 15 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.
Vs = 15 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 12 Vt = 150 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,593 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 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 20·14/(20+14) = 8,235 Ω
Req = R1 + 8,235 = 12 + 8,235 = 20,24 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/20,24 = 0,593 A
Ответ
IR1 = 0,593 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,1999 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 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 6,439 Ω
R3 + 6,439 = 18,44 Ω
R2 ∥ 18,44 = 9,594 Ω
Req = R1 + 9,594 = 12 + 9,594 = 21,59 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/21,59 = 0,4168 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,4168·12 = 3,999 V
IR2 = VA/R2 = 3,999/20 = 0,1999 A
Ответ
IR2 = 0,1999 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 38,2 W
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
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/8 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,575·VA − 0,25·VB = 6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/4 = 2
−0,25·VA + 0,35·VB = 2
Решите
Δ = (0,575)(0,35) − (−0,25)(−0,25) = 0,1387
VA = Δ1/Δ = 2,6/0,1387 = 18,74 V
VB = Δ2/Δ = 2,65/0,1387 = 19,1 V
Мощность, отдаваемая источником тока
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 19,1·2 = 38,2 W
Ответ
PIs = 38,2 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 16,33 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 = 18 V, V2 = −9 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/30 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,4833·VA − 0,2·VB = 4,5
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)/5 + (VB − (−9))/5 = 6
−0,2·VA + 0,44·VB = 4,2
Решите
Δ = (0,4833)(0,44) − (−0,2)(−0,2) = 0,1727
VA = Δ1/Δ = 2,82/0,1727 = 16,33 V
VB = Δ2/Δ = 2,93/0,1727 = 16,97 V
Ответ
VA = 16,33 V
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −2,824 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 + 3(I1 − I2) = 24
11·I1 − 3·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
4·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 7·I2 = −24
Решите
Δ = (11)(7) − (−3)(−3) = 68
I1 = Δ1/Δ = 96/68 = 1,412 A
I2 = Δ2/Δ = −192/68 = −2,824 A
Ответ
I2 = −2,824 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 0,5169 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 + 4(I1 − I2) = 30
14·I1 − 4·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 4(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 34·I2 − 5·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
8·I3 + 5(I3 − I2) = (−5)
−5·I2 + 13·I3 = −5
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5630
I1 = Δ1/Δ = 12410/5630 = 2,204 A
I2 = Δ2/Δ = 1210/5630 = 0,2149 A
I3 = Δ3/Δ = −1700/5630 = −0,302 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 0,5169 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 9,75 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
10·k₁ + 10·k₂ = 17,5
12·k₁ + 1·k₂ = 23,75
Находим константы
Δ = (10)(1) − (10)(12) = −110
k₁ = Δ1/Δ = −220/−110 = 2
k₂ = Δ2/Δ = 27,5/−110 = −0,25
k₁ = 2 mA/V, k₂ = −0,25
Предсказываем новый ток
I = 2·5 + (−0,25)·1 = 9,75 mA
Ответ
I = 9,75 mA
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 51,67 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) = 6 ∥ 20 = 4,615 Ω
VA = 5·4,615/(12+4,615) = 1,389 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,389·15/20 = 1,042 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 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 5,625 Ω
VB = −Is·Req = −4·5,625 = −22,5 V
VA = VB·4/9 = −10 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 = 4 Ω
VA‴ = V2·4/(15 + 5 + 4) = 0,1667·V2
Приравниваем VA к нулю
При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.
VA′ + VA″ + VA‴ = 1,389 + (−10) + 0,1667·V2 = 0
V2 = 8,611/0,1667 = 51,67 V
Ответ
V2 = 51,67 V
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,2172 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 6 = 11,22 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) = 12·8/(15+8) = 4,174 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) = 4,174/(11,22 + 8) = 0,2172 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 26,14 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 4 = 8,286 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) = 1,286 + 3·4,286 = 14,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,14 + 3·4 = 26,14 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 2,288 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 + 22/4,7 = 5,681
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/5,681 = 2,288 V
Ответ
Vin,max = 2,288 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = −0,01527 mA
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 = 1,2/100 = 0,012 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/22 = −0,02727 mA
If = I1 + I2 = −0,01527 mA
Ответ
If = −0,01527 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W(∞) = 3,96 mJ
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 = 22 mH / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0,6 A
Запасённая энергия
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·0,6² = 3,96 mJ
Ответ
W(∞) = 3,96 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 13,9 V
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.