Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 11 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 13 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 4 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 11 mA2·V1: I = 13 mA−Is: I = 4 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 75% конечного значения? Найдите t.
Vs = 20 VR = 22 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.
Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 9,952 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 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 8·13/(8+13) = 4,952 Ω
Req = R1 + 4,952 = 5 + 4,952 = 9,952 Ω
Ответ
Req = 9,952 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,326 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 = 2 + 30 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 8,727 Ω
R3 + 8,727 = 23,73 Ω
R2 ∥ 23,73 = 4,789 Ω
Req = R1 + 4,789 = 2 + 4,789 = 6,789 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/6,789 = 1,326 A
Ответ
IR1 = 1,326 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 39,2 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 − 24)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,45·VA − 0,05·VB = 1,6
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)/20 = 2
−0,05·VA + 0,1167·VB = 2
Решите
Δ = (0,45)(0,1167) − (−0,05)(−0,05) = 0,05
VA = Δ1/Δ = 0,2867/0,05 = 5,733 V
VB = Δ2/Δ = 0,98/0,05 = 19,6 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 = 19,6·2 = 39,2 W
Ответ
PIs = 39,2 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 3,028 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 = 30 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/4 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/20 = 0
0,5·VA − 0,05·VB = 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/30 + (VB − VA)/20 + (VB − (−15))/10 = 6
−0,05·VA + 0,1833·VB = 4,5
Решите
Δ = (0,5)(0,1833) − (−0,05)(−0,05) = 0,08917
VA = Δ1/Δ = 1,325/0,08917 = 14,86 V
VB = Δ2/Δ = 2,55/0,08917 = 28,6 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 14,86)/5 = 3,028 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,5294 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) = 24
28·I1 − 8·I2 = 24
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
4·I2 + 8(I2 − I1) = (−18)
−8·I1 + 12·I2 = −18
Решите
Δ = (28)(12) − (−8)(−8) = 272
I1 = Δ1/Δ = 144/272 = 0,5294 A
I2 = Δ2/Δ = −312/272 = −1,147 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,5294 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR5 = 4,329 V
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
12·I1 + 10(I1 − I2) = 18
22·I1 − 10·I2 = 18
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) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 15·I2 − 2·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 + 2(I3 − I2) = (−18)
−2·I2 + 10·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2212
I1 = Δ1/Δ = 2268/2212 = 1,025 A
I2 = Δ2/Δ = 1008/2212 = 0,4557 A
I3 = Δ3/Δ = −3780/2212 = −1,709 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 2,165 A
VR5 = IR5·R5 = 2,165·2 = 4,329 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = −18,95 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 = 4+12 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
VA = 6·8,889/(8+8,889) = 3,158 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,158·12/16 = 2,368 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 3,158 = −3,158 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 9,714 = 5,368 Ω
VB = Is·Req = 5·5,368 = 26,84 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 26,84·5,714/9,714 = 15,79 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 15,79 = −15,79 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−3,158) + (−15,79) = −18,95 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: I = 5,5 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 = 11
2·I₁ + I₂ + I₃ = 13
I₁ + I₂ − I₃ = 4
Находим вклады
I₁ = 13 − 11 = 2 mA
I₃ = (11 − 4)/2 = 3,5 mA
I₂ = 11 − 2 − 3,5 = 5,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 2 + 3,5 = 5,5 mA
Ответ
I = 5,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,2192 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 15 = 18,08 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) = 10·8/(5+8) = 6,154 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) = 6,154/(18,08 + 10) = 0,2192 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 58,14 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 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 8 = 11,45 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) = 1,655 + 5·3,448 = 18,9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,9 + 5·8 = 58,9 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) = 58,9/(11,45 + 4) = 3,813 A
PL = IL²·RL = 3,813²·4 = 58,14 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 0,564 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
|Av| = Rf/R1 = 100/4,7 = 21,28
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/21,28 = 0,564 V
Ответ
Vin,max = 0,564 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = −0,1872 mA
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 = −0,4/2 = −0,2 mA
I2 = V2/R2 = 0,6/47 = 0,01277 mA
If = I1 + I2 = −0,1872 mA
Ответ
If = −0,1872 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,386 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 = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A
Выразите время
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −1·ln(0,25) = 1,386 ms
Ответ
t = 1,386 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1251 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 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.