Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 6,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 22 kΩRf = 100 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 1,3 VV2 = 1 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 2 ms, в mJ.
Vs = 9 VR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 11,5 V? Найдите t.
Vs = 10 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 15 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 16 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 12 + 4 = 16 Ω
Ответ
Req = 16 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 29,24 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.
R5 + R6 = 4 + 15 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 4,56 Ω
R3 + 4,56 = 6,56 Ω
R2 ∥ 6,56 = 4,241 Ω
Req = R1 + 4,241 = 25 + 4,241 = 29,24 Ω
Ответ
Req = 29,24 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 1,331 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 = 15 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/12 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/8 = 0
0,7083·VA − 0,125·VB = 7,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,4583·VB = 3
Решите
Δ = (0,7083)(0,4583) − (−0,125)(−0,125) = 0,309
VA = Δ1/Δ = 3,813/0,309 = 12,34 V
VB = Δ2/Δ = 3,063/0,309 = 9,91 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 12,34)/2 = 1,331 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 1,561 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
(6,5 − 6)/10 + 6,5/15 = (VB − 6,5)/20
0,4833 = (VB − 6,5)/20 → VB = 16,17 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (16,17 − 6,5)/20 + 16,17/15 = 1,561 A
Ответ
Is = 1,561 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = −9 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. 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
15·I1 + 10(I1 − I2) = 30
25·I1 − 10·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
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−30)
−10·I1 + 16·I2 = −30
Решите
Δ = (25)(16) − (−10)(−10) = 300
I1 = Δ1/Δ = 180/300 = 0,6 A
I2 = Δ2/Δ = −450/300 = −1,5 A
Ответ
IR2 = I2 = −1,5 A
VR2 = IR2·R2 = −1,5·6 = −9 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,2338 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
15·I1 + 20(I1 − I2) = 10
35·I1 − 20·I2 = 10
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 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 50·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
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 14·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 15400
I1 = Δ1/Δ = 3600/15400 = 0,2338 A
I2 = Δ2/Δ = −1400/15400 = −0,09091 A
I3 = Δ3/Δ = −14200/15400 = −0,9221 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,2338 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR4 = 14,76 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 = 10+20 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
VA = 15·7,5/(3+7,5) = 10,71 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,71·20/30 = 7,143 V
VR4′ = VB − 0 = 7,143 − 0 = 7,143 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 12,31 = 7,619 Ω
VB = Is·Req = 1·7,619 = 7,619 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,619·2,308/12,31 = 1,429 V
VR4″ = VB − 0 = 7,619 − 0 = 7,619 V
Сложите составляющие
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 7,143 + 7,619 = 14,76 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = 30,79 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) = 3 ∥ 36 = 2,769 Ω
VA = 15·2,769/(6+2,769) = 4,737 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,737·30/36 = 3,947 V
VR2′ = VA − VB = 4,737 − 3,947 = 0,7895 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 = 2 Ω, поэтому левый путь — R2+2 = 8 Ω
Req = R4 ∥ 8 = 6,316 Ω
VB = Is·Req = (−6)·6,316 = −37,89 V
VA = VB·2/8 = −9,474 V
VR2″ = VA − VB = −9,474 − −37,89 = 28,42 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·8/38 = −2,105 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,105·2/8 = −0,5263 V
VR2‴ = VA − VB = −0,5263 − −2,105 = 1,579 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,7895 + 28,42 + 1,579 = 30,79 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 10,8 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 6 = 10,8 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) = 18·12/(8+12) = 10,8 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,2613 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 5 = 11,32 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) = 2,526 + 0,5·6,316 = 5,684 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,684 + 0,5·5 = 8,184 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) = 8,184/(11,32 + 20) = 0,2613 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 2,525 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/22 = 5,545
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/5,545 = 2,525 V
Ответ
Vin,max = 2,525 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,768 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.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 1,3/22 = 0,05909 mA
I2 = V2/R2 = 1/47 = 0,02128 mA
If = I1 + I2 = 0,08037 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −22·0,08037 = −1,768 V
Ответ
Vout = −1,768 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 1,649 mJ
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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 9/20 = 0,45 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,45·(1 − e−2/1,65) = 0,3161 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·33·0,3161² = 1,649 mJ
Ответ
W = 1,649 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1204 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.