Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
V1 = 6 VR1 = 4 ΩV2 = 12 VR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 3 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = −2,4 VV2 = 2,6 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 1 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.
R1 = 47 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.
Vs = 9 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 68 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 3 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 9,3 V? Найдите t.
Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,667 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 + 2 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 8 + 4 = 12 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/12 = 2,5 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,5·8 = 10 V
IR2 = VA/R2 = 10/6 = 1,667 A
Ответ
IR2 = 1,667 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,006 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 + 2 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 9,545 Ω
R3 + 9,545 = 34,55 Ω
R2 ∥ 34,55 = 7,755 Ω
Req = R1 + 7,755 = 20 + 7,755 = 27,76 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/27,76 = 1,297 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,297·20 = 10,06 V
IR2 = VA/R2 = 10,06/10 = 1,006 A
Ответ
IR2 = 1,006 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I1 = −0,1364 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
Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.
(VA − 6)/4 + (VA − 12)/8 + VA/12 = 0
Находим VA
VA = (6/4 + 12/8 + 0/12) / (1/4 + 1/8 + 1/12) = 3/0,4583 = 6,545 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I1 = (6 − VA)/R1 = (6 − 6,545)/4 = −0,1364 A
Ответ
I1 = −0,1364 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 1,696 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
(3 − 9)/25 + 3/2 = (VB − 3)/8
1,26 = (VB − 3)/8 → VB = 13,08 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (13,08 − 3)/8 + 13,08/30 = 1,696 A
Ответ
Is = 1,696 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,2679 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
3·I1 + 2(I1 − I2) = 30
5·I1 − 2·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 + 2(I2 − I1) = (−15)
−2·I1 + 12·I2 = −15
Решите
Δ = (5)(12) − (−2)(−2) = 56
I1 = Δ1/Δ = 330/56 = 5,893 A
I2 = Δ2/Δ = −15/56 = −0,2679 A
Ответ
I2 = −0,2679 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,4182 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
20·I1 + 25(I1 − I2) = 15
45·I1 − 25·I2 = 15
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 + 25(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 36·I2 − 6·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
5·I3 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 11·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9325
I1 = Δ1/Δ = 3900/9325 = 0,4182 A
I2 = Δ2/Δ = 1425/9325 = 0,1528 A
I3 = Δ3/Δ = −7700/9325 = −0,8257 A
Ответ
I1 = 0,4182 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = −16,56 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 = 6+10 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·16/(8+16) = 5,333 Ω
VA = 24·5,333/(3+5,333) = 15,36 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15,36·10/16 = 9,6 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 15,36 = −15,36 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 8,182 = 4,5 Ω
VB = Is·Req = 1·4,5 = 4,5 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,5·2,182/8,182 = 1,2 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 1,2 = −1,2 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−15,36) + (−1,2) = −16,56 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = −4,374 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) = 25 ∥ 15 = 9,375 Ω
VA = 24·9,375/(12+9,375) = 10,53 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 10,53·10/15 = 7,018 V
VR2′ = VB − VA = 7,018 − 10,53 = −3,509 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.
R1 ∥ R3 = 8,108 Ω, поэтому левый путь — R2+8,108 = 13,11 Ω
Req = R4 ∥ 13,11 = 5,673 Ω
VB = Is·Req = 2·5,673 = 11,35 V
VA = VB·8,108/13,11 = 7,018 V
VR2″ = VB − VA = 11,35 − 7,018 = 4,327 V
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 = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·13,11/23,11 = −13,61 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −13,61·8,108/13,11 = −8,421 V
VR2‴ = VB − VA = −13,61 − −8,421 = −5,193 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−3,509) + 4,327 + (−5,193) = −4,374 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,9375 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 4 = 6,667 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) = 30·4/(8+4) = 10 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) = 10/(6,667 + 4) = 0,9375 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 6,311 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 5 = 7,182 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) = 3,273 + 1,5·2,182 = 6,545 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,545 + 1,5·5 = 14,05 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) = 14,05/(7,182 + 4) = 1,256 A
PL = IL²·RL = 1,256²·4 = 6,311 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 2,5 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.
Коэффициент усиления каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −100/47 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1,1
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −2,128·1,1 = −2,34
Ответ
Av = −2,34
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: τ = 101,9 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·4,7/(2,2 + 4,7) = 1,499 kΩ
vC(∞) = 9·4,7/(2,2 + 4,7) = 6,13 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 1,499·68 = 101,9 ms
Ответ
τ = 101,9 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1245 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.