Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 20 V и Is = 8 mA I = 26,8 mA; при Vs = 2 V и Is = 3 mA I = 1,8 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 12 V и Is = 2 mA.
20 V, 8 mA → 26,8 mA2 V, 3 mA → 1,8 mAVs = 12 V, Is = 2 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 1,7 VR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,8 VV2 = 0,2 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 12 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 10,8 V, ровно через 500 ms после старта. При R = 22 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 500 msR = 22 kΩ
C = µF
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,268 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 2·22/(2+22) = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 10 + 1,833 = 11,83 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/11,83 = 1,268 A
Ответ
IR1 = 1,268 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 2,368 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 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 5,143 Ω
R3 + 5,143 = 7,143 Ω
R2 ∥ 7,143 = 2,941 Ω
Req = R1 + 2,941 = 6 + 2,941 = 8,941 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/8,941 = 4,026 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 4,026·6 = 11,84 V
IR2 = VA/R2 = 11,84/5 = 2,368 A
Ответ
IR2 = 2,368 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 3,661 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 = 18 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 − 18)/4 + (VA − VB)/2 = 0
0,875·VA − 0,5·VB = 4,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/2 = (−4)
−0,5·VA + 0,5667·VB = −4
Решите
Δ = (0,875)(0,5667) − (−0,5)(−0,5) = 0,2458
VA = Δ1/Δ = 0,55/0,2458 = 2,237 V
VB = Δ2/Δ = −1,25/0,2458 = −5,085 V
Ответ
IR3 = (VA − VB)/R3 = (2,237 − −5,085)/2 = 3,661 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 7,939 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 = 36 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/5 + (VA − 36)/30 + (VA − VB)/3 = 0
0,5667·VA − 0,3333·VB = 1,2
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/2 + (VB − VA)/3 + (VB − 15)/3 = 2
−0,3333·VA + 1,167·VB = 7
Решите
Δ = (0,5667)(1,167) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,55
VA = Δ1/Δ = 3,733/0,55 = 6,788 V
VB = Δ2/Δ = 4,367/0,55 = 7,939 V
Ответ
VB = 7,939 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR2 = −0,7377 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
20·I1 + 8(I1 − I2) = 30
28·I1 − 8·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
3·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 11·I2 = −15
Решите
Δ = (28)(11) − (−8)(−8) = 244
I1 = Δ1/Δ = 210/244 = 0,8607 A
I2 = Δ2/Δ = −180/244 = −0,7377 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,7377 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,4525 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 + 5(I1 − I2) = 9
15·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 5(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 33·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 28·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7160
I1 = Δ1/Δ = 3216/7160 = 0,4492 A
I2 = Δ2/Δ = −3240/7160 = −0,4525 A
I3 = Δ3/Δ = −6150/7160 = −0,8589 A
Ответ
I2 = −0,4525 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 17,2 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
20·k₁ + 8·k₂ = 26,8
2·k₁ + 3·k₂ = 1,8
Находим константы
Δ = (20)(3) − (8)(2) = 44
k₁ = Δ1/Δ = 66/44 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −17,6/44 = −0,4
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,4
Предсказываем новый ток
I = 1,5·12 + (−0,4)·2 = 17,2 mA
Ответ
I = 17,2 mA
8.Метод наложения
Ответ: PR3 = 1,983 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) = 12 ∥ 14 = 6,462 Ω
VA = 9·6,462/(10+6,462) = 3,533 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,533·12/14 = 3,028 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,533 − 0)/12 = 0,2944 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 = 5,455 Ω, поэтому левый путь — R2+5,455 = 7,455 Ω
Req = R4 ∥ 7,455 = 4,598 Ω
VB = −Is·Req = −1·4,598 = −4,598 V
VA = VB·5,455/7,455 = −3,364 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−3,364 − 0)/12 = −0,2804 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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·7,455/19,45 = −6,897 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −6,897·5,455/7,455 = −5,047 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR3 = IR3²·R3 = (−0,4065)²·12 = 1,983 W
Ответ
PR3 = 1,983 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 4,106 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 6,667 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 2 = 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) = 10·6/(3+6) = 6,667 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 6,17 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 15 = 26,11 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) = 4,444 + 6·11,11 = 71,11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 71,11 + 6·15 = 161,1 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 161,1/26,11 = 6,17 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 5,317 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 1,7 V
I = V₋/R1 = 1,7/47 = 0,03617 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,7 + 0,03617·100 = 5,317 V
Ответ
Vout = 5,317 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,804 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 = 1,8/2 = 0,9 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/100 = 0,002 mA
If = I1 + I2 = 0,902 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −2·0,902 = −1,804 V
Ответ
Vout = −1,804 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,2384 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.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
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.