Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 0,6 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 80% конечного значения? Найдите t.
Vs = 15 VR = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 12,8 V? Найдите t.
Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 2,466 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 2·28/(2+28) = 1,867 Ω
Req = R1 + 1,867 = 3 + 1,867 = 4,867 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/4,867 = 2,466 A
Ответ
IR1 = 2,466 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,2532 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 + 2 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 1,875 Ω
R3 + 1,875 = 6,875 Ω
R2 ∥ 6,875 = 3,697 Ω
Req = R1 + 3,697 = 20 + 3,697 = 23,7 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/23,7 = 0,2532 A
Ответ
IR1 = 0,2532 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = −0,48 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 = 12 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/15 + (VA − 12)/10 + (VA − VB)/5 = 0
0,3667·VA − 0,2·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/4 + (VB − VA)/5 = (−3)
−0,2·VA + 0,45·VB = −3
Решите
Δ = (0,3667)(0,45) − (−0,2)(−0,2) = 0,125
VA = Δ1/Δ = −0,06/0,125 = −0,48 V
VB = Δ2/Δ = −0,86/0,125 = −6,88 V
Ответ
VA = −0,48 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 10,03 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 = 9 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/5 + (VA − 24)/30 + (VA − VB)/2 = 0
0,7333·VA − 0,5·VB = 0,8
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/12 + (VB − VA)/2 + (VB − 9)/3 = 4
−0,5·VA + 0,9167·VB = 7
Решите
Δ = (0,7333)(0,9167) − (−0,5)(−0,5) = 0,4222
VA = Δ1/Δ = 4,233/0,4222 = 10,03 V
VB = Δ2/Δ = 5,533/0,4222 = 13,11 V
Ответ
VA = 10,03 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 1,263 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
4·I1 + 3(I1 − I2) = 6
7·I1 − 3·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
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−18)
−3·I1 + 23·I2 = −18
Решите
Δ = (7)(23) − (−3)(−3) = 152
I1 = Δ1/Δ = 84/152 = 0,5526 A
I2 = Δ2/Δ = −108/152 = −0,7105 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 1,263 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = 0,336 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
5·I1 + 10(I1 − I2) = 24
15·I1 − 10·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 40·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 18·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7500
I1 = Δ1/Δ = 13680/7500 = 1,824 A
I2 = Δ2/Δ = 2520/7500 = 0,336 A
I3 = Δ3/Δ = −3600/7500 = −0,48 A
Ответ
I2 = 0,336 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR4 = 6,328 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 = 3+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
VA = 15·3,077/(20+3,077) = 2 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2·5/8 = 1,25 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,25 − 0)/5 = 0,25 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7 = 2,917 Ω
VB = Is·Req = 1,5·2,917 = 4,375 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,375·4/7 = 2,5 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (4,375 − 0)/5 = 0,875 A
Складываем вклады токов
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,25 + 0,875 = 1,125 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 = 1,125²·5 = 6,328 W
Ответ
PR4 = 6,328 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 4,141 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 0,2834 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 19 = 3,958 Ω
VA = 9·3,958/(30+3,958) = 1,049 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,049·4/19 = 0,2209 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,049 − 0)/5 = 0,2098 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 = 4,286 Ω, поэтому левый путь — R2+4,286 = 19,29 Ω
Req = R4 ∥ 19,29 = 3,313 Ω
VB = Is·Req = (−2)·3,313 = −6,626 V
VA = VB·4,286/19,29 = −1,472 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−1,472 − 0)/5 = −0,2945 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·19,29/23,29 = 8,282 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,282·4,286/19,29 = 1,84 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,84 − 0)/5 = 0,3681 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,2098 + (−0,2945) + 0,3681 = 0,2834 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 3 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 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) = 24·10/(5+10) = 16 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 = 16/5,333 = 3 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = −18,8 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 6 = 7,6 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 + (−3)·1,6 = −0,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8 + (−3)·6 = −18,8 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: V− = 2,391 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₊.
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2,9·47/(10 + 47) = 2,391 V
V₋ = V₊
Ответ
V− = 2,391 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −2,479 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 = 2,2 kΩ · 2,2 µF = 4,84 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −0,6/4,84 = −0,124 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −0,6·20/4,84 = −2,479 V
Ответ
Vout = −2,479 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 35,41 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1,5 A
Выразите время
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −22·ln(0,2) = 35,41 ms
Ответ
t = 35,41 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 168,6 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.