ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −0,4 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = −1,1 VV2 = 1 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.
Vs = 5 VR = 33 ΩL = 150 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.
Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 15 Vt = 150 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 18,67 Ω
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 = 2 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 12 + 6,667 = 18,67 Ω
Ответ
Req = 18,67 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,6429 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 = 6 + 8 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 9,545 Ω
R3 + 9,545 = 34,55 Ω
R2 ∥ 34,55 = 12,67 Ω
Req = R1 + 12,67 = 6 + 12,67 = 18,67 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/18,67 = 0,6429 A
Ответ
IR1 = 0,6429 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 1,313 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 = 30 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/8 + (VA − 30)/4 + (VA − VB)/2 = 0
0,875·VA − 0,5·VB = 7,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,6667·VB = 1
Решите
Δ = (0,875)(0,6667) − (−0,5)(−0,5) = 0,3333
VA = Δ1/Δ = 5,5/0,3333 = 16,5 V
VB = Δ2/Δ = 4,625/0,3333 = 13,88 V
Ответ
IR3 = (VA − VB)/R3 = (16,5 − 13,88)/2 = 1,313 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = −12,94 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 = 5 V, V2 = −30 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/3 + (VA − 5)/6 + (VA − VB)/3 = 0
0,8333·VA − 0,3333·VB = 0,8333
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
15·I1 + 4(I1 − I2) = 9
19·I1 − 4·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
10·I2 + 4(I2 − I1) = (−24)
−4·I1 + 14·I2 = −24
Решите
Δ = (19)(14) − (−4)(−4) = 250
I1 = Δ1/Δ = 30/250 = 0,12 A
I2 = Δ2/Δ = −420/250 = −1,68 A
Ответ
I2 = −1,68 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 0,4354 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 + 2(I1 − I2) = 5
7·I1 − 2·I2 = 5
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
5·I2 + 2(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 19·I2 − 12·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
30·I3 + 12(I3 − I2) = (−36)
−12·I2 + 42·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4410
I1 = Δ1/Δ = 2406/4410 = 0,5456 A
I2 = Δ2/Δ = −2604/4410 = −0,5905 A
I3 = Δ3/Δ = −4524/4410 = −1,026 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 0,4354 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = 0,85 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 = 5+5 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·10/(15+10) = 6 Ω
VA = 9·6/(10+6) = 3,375 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,375·5/10 = 1,688 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (3,375 − 0)/15 = 0,225 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 11 = 3,438 Ω
VB = Is·Req = 5·3,438 = 17,19 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 17,19·6/11 = 9,375 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (9,375 − 0)/15 = 0,625 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,225 + 0,625 = 0,85 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: PR1 = 1,231 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) = 20 ∥ 19 = 9,744 Ω
VA = 6·9,744/(30+9,744) = 1,471 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,471·4/19 = 0,3097 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 1,471)/30 = 0,151 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R3 = 12 Ω, поэтому левый путь — R2+12 = 27 Ω
Req = R4 ∥ 27 = 3,484 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·3,484 = −8,71 V
VA = VB·12/27 = −3,871 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −3,871)/30 = 0,129 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 = 30·20/(30+20) = 12 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·27/31 = 5,226 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,226·12/27 = 2,323 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR1 = IR1²·R1 = 0,2026²·30 = 1,231 W
Ответ
PR1 = 1,231 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 1,363 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 0,9091 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 4 = 5,818 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) = 10·2/(20+2) = 0,9091 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 95,96 W
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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 20 = 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) = 5 + 4·2 = 13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13 + 4·20 = 93 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) = 93/(22 + 30) = 1,788 A
PL = IL²·RL = 1,788²·30 = 95,96 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,255 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.
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 = −1,1/2 = −0,55 mA
I2 = V2/R2 = 1/10 = 0,1 mA
If = I1 + I2 = −0,45 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·(−0,45) = 4,5 V
Ответ
Vout = 4,5 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 1,361 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 = 150 mH / 33 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,1515·(1 − e−10/4,545) = 0,1347 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·150·0,1347² = 1,361 mJ
Ответ
W = 1,361 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 16,83 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.