Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.
V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 6,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 2,3 VV2 = 2,5 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 2 VV2 = −0,8 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 15 ms.
Vs = 12 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 15 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,518 A? Найдите t.
Vs = 15 VR1 = 22 ΩR2 = 33 ΩL = 68 mH
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 4,667 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 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Req = R1 + 2,667 = 2 + 2,667 = 4,667 Ω
Ответ
Req = 4,667 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,8866 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 6,316 Ω
R3 + 6,316 = 11,32 Ω
R2 ∥ 11,32 = 3,468 Ω
Req = R1 + 3,468 = 20 + 3,468 = 23,47 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/23,47 = 1,278 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,278·20 = 4,433 V
IR2 = VA/R2 = 4,433/5 = 0,8866 A
Ответ
IR2 = 0,8866 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = −1,2 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/4 + (VA − 18)/8 + (VA − VB)/4 = 0
0,625·VA − 0,25·VB = 2,25
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/4 = 4
−0,25·VA + 0,45·VB = 4
Решите
Δ = (0,625)(0,45) − (−0,25)(−0,25) = 0,2188
VA = Δ1/Δ = 2,013/0,2188 = 9,2 V
VB = Δ2/Δ = 3,063/0,2188 = 14 V
Ответ
IR3 = (VA − VB)/R3 = (9,2 − 14)/4 = −1,2 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 2,55 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
(6,5 − 12)/10 + 6,5/15 = (VB − 6,5)/10
−0,1167 = (VB − 6,5)/10 → VB = 5,333 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (5,333 − 6,5)/10 + 5,333/2 = 2,55 A
Ответ
Is = 2,55 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,15 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 30
15·I1 − 5·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
10·I2 + 5(I2 − I1) = (−12)
−5·I1 + 15·I2 = −12
Решите
Δ = (15)(15) − (−5)(−5) = 200
I1 = Δ1/Δ = 390/200 = 1,95 A
I2 = Δ2/Δ = −30/200 = −0,15 A
Ответ
I2 = −0,15 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −0,6476 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 10
18·I1 − 3·I2 = 10
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
12·I2 + 3(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 35·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
4·I3 + 20(I3 − I2) = (−9)
−20·I2 + 24·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7704
I1 = Δ1/Δ = 3860/7704 = 0,501 A
I2 = Δ2/Δ = −2520/7704 = −0,3271 A
I3 = Δ3/Δ = −4989/7704 = −0,6476 A
Ответ
I3 = −0,6476 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR4 = 8,571 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 10+8 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·18/(6+18) = 4,5 Ω
VA = 6·4,5/(6+4,5) = 2,571 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,571·8/18 = 1,143 V
VR4′ = VB − 0 = 1,143 − 0 = 1,143 V
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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 13 = 4,952 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,952 = 7,429 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,429·3/13 = 1,714 V
VR4″ = VB − 0 = 7,429 − 0 = 7,429 V
Сложите составляющие
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 1,143 + 7,429 = 8,571 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: PR3 = 4,109 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) = 4 ∥ 40 = 3,636 Ω
VA = 30·3,636/(30+3,636) = 3,243 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,243·20/40 = 1,622 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,243 − 0)/4 = 0,8108 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 = 3,529 Ω, поэтому левый путь — R2+3,529 = 23,53 Ω
Req = R4 ∥ 23,53 = 10,81 Ω
VB = Is·Req = 1·10,81 = 10,81 V
VA = VB·3,529/23,53 = 1,622 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,622 − 0)/4 = 0,4054 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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·23,53/43,53 = −5,405 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,405·3,529/23,53 = −0,8108 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR3 = IR3²·R3 = 1,014²·4 = 4,109 W
Ответ
PR3 = 4,109 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 3,451 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,3692 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 15 = 21,67 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) = 12·20/(10+20) = 8 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 = 8/21,67 = 0,3692 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 116,7 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 25 = 28,33 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) = 3,333 + 4·3,333 = 16,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,67 + 4·25 = 116,7 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 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.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = 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 = 2/2 = 1 mA
I2 = V2/R2 = −0,8/1 = −0,8 mA
If = I1 + I2 = 0,2 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −47·0,2 = −9,4 V
Ответ
Vout = −9,4 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 2,678 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.
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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 12/10 = 1,2 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 12·e−15/10 = 2,678 V
Ответ
vL = 2,678 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,6325 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
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.