Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 5 V и Is = 8 mA I = 12 mA; при Vs = 4 V и Is = 4 mA I = 9 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 20 V и Is = 4 mA.
5 V, 8 mA → 12 mA4 V, 4 mA → 9 mAVs = 20 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −3 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 100 ms.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.
Vs = 6 VR1 = 6,8 kΩR2 = 2,2 kΩC = 68 µFt = 100 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 6 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 15 V? Найдите t.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 6 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6807 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 2·9/(2+9) = 1,636 Ω
Req = R1 + 1,636 = 20 + 1,636 = 21,64 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/21,64 = 0,8319 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,8319·20 = 1,361 V
IR2 = VA/R2 = 1,361/2 = 0,6807 A
Ответ
IR2 = 0,6807 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,3071 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 = 12 + 6 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 6,429 Ω
R3 + 6,429 = 16,43 Ω
R2 ∥ 16,43 = 2,537 Ω
Req = R1 + 2,537 = 25 + 2,537 = 27,54 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/27,54 = 0,3632 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,3632·25 = 0,9212 V
IR2 = VA/R2 = 0,9212/3 = 0,3071 A
Ответ
IR2 = 0,3071 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,65 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 = 12 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 − 12)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 1,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,4583·VB = 3
Решите
Δ = (0,375)(0,4583) − (−0,125)(−0,125) = 0,1563
VA = Δ1/Δ = 1,063/0,1563 = 6,8 V
VB = Δ2/Δ = 1,313/0,1563 = 8,4 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 6,8)/8 = 0,65 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR2 = −1,35 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 = 24 V, V2 = 36 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/5 + (VA − 24)/25 + (VA − VB)/20 = 0
0,29·VA − 0,05·VB = 0,96
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/15 + (VB − VA)/20 + (VB − 36)/3 = 4
−0,05·VA + 0,45·VB = 16
Решите
Δ = (0,29)(0,45) − (−0,05)(−0,05) = 0,128
VA = Δ1/Δ = 1,232/0,128 = 9,625 V
VB = Δ2/Δ = 4,688/0,128 = 36,63 V
Ответ
IR2 = (VA − VB)/R2 = (9,625 − 36,63)/20 = −1,35 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,1333 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 9
18·I1 − 3·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 + 3(I2 − I1) = (−18)
−3·I1 + 8·I2 = −18
Решите
Δ = (18)(8) − (−3)(−3) = 135
I1 = Δ1/Δ = 18/135 = 0,1333 A
I2 = Δ2/Δ = −297/135 = −2,2 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,1333 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR3 = 16,37 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, 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
2·I1 + 15(I1 − I2) = 36
17·I1 − 15·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
4·I2 + 15(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 49·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
15·I3 + 30(I3 − I2) = (−5)
−30·I2 + 45·I3 = −5
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 12060
I1 = Δ1/Δ = 44730/12060 = 3,709 A
I2 = Δ2/Δ = 21750/12060 = 1,803 A
I3 = Δ3/Δ = 13160/12060 = 1,091 A
Ответ
IR3 = I3 = 1,091 A
VR3 = IR3·R3 = 1,091·15 = 16,37 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 41 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
5·k₁ + 8·k₂ = 12
4·k₁ + 4·k₂ = 9
Находим константы
Δ = (5)(4) − (8)(4) = −12
k₁ = Δ1/Δ = −24/−12 = 2
k₂ = Δ2/Δ = −3/−12 = 0,25
k₁ = 2 mA/V, k₂ = 0,25
Предсказываем новый ток
I = 2·20 + 0,25·4 = 41 mA
Ответ
I = 41 mA
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 15 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) = 15 ∥ 30 = 10 Ω
VA = 15·10/(10+10) = 7,5 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,5·10/30 = 2,5 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 = 6 Ω, поэтому левый путь — R2+6 = 26 Ω
Req = R4 ∥ 26 = 7,222 Ω
VB = −Is·Req = −6·7,222 = −43,33 V
VA = VB·6/26 = −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 = 6 Ω
VA‴ = V2·6/(10 + 20 + 6) = 0,1667·V2
Приравниваем VA к нулю
При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.
VA′ + VA″ + VA‴ = 7,5 + (−10) + 0,1667·V2 = 0
V2 = 2,5/0,1667 = 15 V
Ответ
V2 = 15 V
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 11,75 Ω
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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 8 = 11,75 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 38,93 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 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 4 = 10,06 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) = 2,909 + 5·6,061 = 33,21 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,21 + 5·4 = 53,21 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) = 53,21/(10,06 + 2) = 4,412 A
PL = IL²·RL = 4,412²·2 = 38,93 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,8333 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 100 kΩ · 0,47 µF = 47 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−3)/47 = 0,06383 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−3)·100/47 = 6,383 V
Ответ
Vout = 6,383 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 0,8612 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 6,8·2,2/(6,8 + 2,2) = 1,662 kΩ
vC(∞) = 6·2,2/(6,8 + 2,2) = 1,467 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 1,662·68 = 113 ms
Кривая заряда
vC(t) = 1,467·(1 − e−100/113) = 0,8612 V
Ответ
vC = 0,8612 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 22,87 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.