Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 36 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩRL = 5 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 1,7 VR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
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 = −0,9 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 100 ms.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 95% конечного значения? Найдите t.
Vs = 5 VR = 47 ΩL = 68 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 10 ms.
Vs = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 22 ΩL = 150 mHt = 10 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 18 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 12 + 6 = 18 Ω
Ответ
Req = 18 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,1687 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 = 15 + 30 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 13,85 Ω
R3 + 13,85 = 16,85 Ω
R2 ∥ 16,85 = 10,79 Ω
Req = R1 + 10,79 = 2 + 10,79 = 12,79 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/12,79 = 0,4692 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,4692·2 = 5,062 V
IR2 = VA/R2 = 5,062/30 = 0,1687 A
Ответ
IR2 = 0,1687 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 19,25 W
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
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 12)/10 + (VA − VB)/15 = 0
0,5·VA − 0,06667·VB = 1,2
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)/15 = 2
−0,06667·VA + 0,2333·VB = 2
Решите
Δ = (0,5)(0,2333) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1122
VA = Δ1/Δ = 0,4133/0,1122 = 3,683 V
VB = Δ2/Δ = 1,08/0,1122 = 9,624 V
Мощность, отдаваемая источником тока
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 9,624·2 = 19,25 W
Ответ
PIs = 19,25 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 12,07 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 = 24 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/25 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/12 = 0
0,19·VA − 0,08333·VB = 1,6
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)/12 + (VB − 15)/2 = 0,5
−0,08333·VA + 1,083·VB = 8
Решите
Δ = (0,19)(1,083) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1989
VA = Δ1/Δ = 2,4/0,1989 = 12,07 V
VB = Δ2/Δ = 1,653/0,1989 = 8,313 V
Ответ
VA = 12,07 V
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,1429 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 6
17·I1 − 5·I2 = 6
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
8·I2 + 5(I2 − I1) = (−10)
−5·I1 + 13·I2 = −10
Решите
Δ = (17)(13) − (−5)(−5) = 196
I1 = Δ1/Δ = 28/196 = 0,1429 A
I2 = Δ2/Δ = −140/196 = −0,7143 A
Ответ
I1 = 0,1429 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 1,271 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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 36
12·I1 − 8·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
8·I2 + 8(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 26·I2 − 10·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
25·I3 + 10(I3 − I2) = (−18)
−10·I2 + 35·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7480
I1 = Δ1/Δ = 27720/7480 = 3,706 A
I2 = Δ2/Δ = 7920/7480 = 1,059 A
I3 = Δ3/Δ = −1584/7480 = −0,2118 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 1,271 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = −1,916 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 = 12+10 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·22/(3+22) = 2,64 Ω
VA = 9·2,64/(4+2,64) = 3,578 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,578·10/22 = 1,627 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 3,578)/3 = −1,193 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 13,71 = 5,783 Ω
VB = Is·Req = 3·5,783 = 17,35 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 17,35·1,714/13,71 = 2,169 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 2,169)/3 = −0,7229 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−1,193) + (−0,7229) = −1,916 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = −12,34 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) = 2 ∥ 9 = 1,636 Ω
VA = 10·1,636/(30+1,636) = 0,5172 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,5172·3/9 = 0,1724 V
VR2′ = VA − VB = 0,5172 − 0,1724 = 0,3448 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 = 1,875 Ω, поэтому левый путь — R2+1,875 = 7,875 Ω
Req = R4 ∥ 7,875 = 2,172 Ω
VB = Is·Req = 6·2,172 = 13,03 V
VA = VB·1,875/7,875 = 3,103 V
VR2″ = VA − VB = 3,103 − 13,03 = −9,931 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 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·7,875/10,88 = 3,621 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,621·1,875/7,875 = 0,8621 V
VR2‴ = VA − VB = 0,8621 − 3,621 = −2,759 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,3448 + (−9,931) + (−2,759) = −12,34 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 6 = 12 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = −1,412 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 2 = 3,5 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) = 9 + (−6)·1,5 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−6)·2 = −12 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) = −12/(3,5 + 5) = −1,412 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 5,44 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 = 1,7/10 = 0,17 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,7 + 0,17·22 = 5,44 V
Ответ
Vout = 5,44 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,091 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 10 kΩ · 2,2 µF = 22 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−0,9)/22 = 0,04091 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,9)·100/22 = 4,091 V
Ответ
Vout = 4,091 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 4,334 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.
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 = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0,1064 A
Выразите время
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −1,447·ln(0,05) = 4,334 ms
Ответ
t = 4,334 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,381 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.