Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 23 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 29,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 11 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 23 mA2·V1: I = 29,5 mA−Is: I = 11 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 31.
R1 = 1 kΩAv = 31
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 2,6 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 5 ms.
Vin = 2,6 VR = 4,7 kΩC = 1 µFVsat = ±14 Vt = 5 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
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 = 9 VR = 15 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 10 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 9,3 V? Найдите t.
Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 22 µFvC(0) = 10 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 5 + 3 = 8 Ω
Ответ
Req = 8 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,2992 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 = 3 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 8,8 Ω
R3 + 8,8 = 14,8 Ω
R2 ∥ 14,8 = 5,968 Ω
Req = R1 + 5,968 = 6 + 5,968 = 11,97 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/11,97 = 0,5013 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,5013·6 = 2,992 V
IR2 = VA/R2 = 2,992/10 = 0,2992 A
Ответ
IR2 = 0,2992 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = −0,3148 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 = 10 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/5 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,2·VA − 0,5·VB = 5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 = 6 V, V2 = 5 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/8 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,425·VA − 0,25·VB = 0,3
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/25 + (VB − VA)/4 + (VB − 5)/30 = 5
−0,25·VA + 0,3233·VB = 5,167
Решите
Δ = (0,425)(0,3233) − (−0,25)(−0,25) = 0,07492
VA = Δ1/Δ = 1,389/0,07492 = 18,54 V
VB = Δ2/Δ = 2,271/0,07492 = 30,31 V
Ответ
IR2 = (VA − VB)/R2 = (18,54 − 30,31)/4 = −2,944 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR2 = −0,1852 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 + 4(I1 − I2) = 15
7·I1 − 4·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 10·I2 = −10
Решите
Δ = (7)(10) − (−4)(−4) = 54
I1 = Δ1/Δ = 110/54 = 2,037 A
I2 = Δ2/Δ = −10/54 = −0,1852 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,1852 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 2,7 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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 36
16·I1 − 10·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
3·I2 + 10(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 43·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
20·I3 + 30(I3 − I2) = (−15)
−30·I2 + 50·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 15000
I1 = Δ1/Δ = 40500/15000 = 2,7 A
I2 = Δ2/Δ = 10800/15000 = 0,72 A
I3 = Δ3/Δ = 1980/15000 = 0,132 A
Ответ
IR1 = I1 = 2,7 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR4 = 14,09 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 20+8 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·28/(8+28) = 6,222 Ω
VA = 18·6,222/(15+6,222) = 5,277 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,277·8/28 = 1,508 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,508 − 0)/8 = 0,1885 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 25,22 = 6,073 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,073 = 9,11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,11·5,217/25,22 = 1,885 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (9,11 − 0)/8 = 1,139 A
Складываем вклады токов
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,1885 + 1,139 = 1,327 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = 1,327²·8 = 14,09 W
Ответ
PR4 = 14,09 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 10,66 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: I = 12,5 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 измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 23
2·I₁ + I₂ + I₃ = 29,5
I₁ + I₂ − I₃ = 11
Находим вклады
I₁ = 29,5 − 23 = 6,5 mA
I₃ = (23 − 11)/2 = 6 mA
I₂ = 23 − 6,5 − 6 = 10,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 6,5 + 6 = 12,5 mA
Ответ
I = 12,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 8 = 10,67 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) = 12·8/(4+8) = 8 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 5,462 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 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) = 4,5 + 5·3,75 = 23,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,25 + 5·6 = 53,25 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 = 53,25/9,75 = 5,462 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 30 kΩ
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 неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (31 − 1)·1 = 30 kΩ
Ответ
Rf = 30 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −2,766 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 = 4,7 kΩ · 1 µF = 4,7 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −2,6/4,7 = −0,5532 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2,6·5/4,7 = −2,766 V
Ответ
Vout = −2,766 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,997 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 = 10 mH / 15 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0,6 A
Выразите время
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −0,6667·ln(0,05) = 1,997 ms
Ответ
t = 1,997 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 124,5 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.