Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 12 V и Is = 6 mA I = 16,8 mA; при Vs = 20 V и Is = 3 mA I = 25,2 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 12 V и Is = 2 mA.
12 V, 6 mA → 16,8 mA20 V, 3 mA → 25,2 mAVs = 12 V, Is = 2 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.
К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 15.
R1 = 100 kΩAv = 15
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.
R1 = 2 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 0,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 5 ms.
i(0) = 0,5 AR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 17,4 V? Найдите t.
Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 30 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,9452 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 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 4·23/(4+23) = 3,407 Ω
Req = R1 + 3,407 = 2 + 3,407 = 5,407 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/5,407 = 1,11 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 1,11·2 = 3,781 V
IR2 = VA/R2 = 3,781/4 = 0,9452 A
Ответ
IR2 = 0,9452 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,7675 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 + 4 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 4 Ω
R3 + 4 = 29 Ω
R2 ∥ 29 = 6,27 Ω
Req = R1 + 6,27 = 25 + 6,27 = 31,27 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/31,27 = 0,7675 A
Ответ
IR1 = 0,7675 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I3 = 0,9167 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
Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.
(VA − (−24))/6 + (VA − 18)/12 + (VA − 12)/20 = 0
Находим VA
VA = ((−24)/6 + 18/12 + 12/20) / (1/6 + 1/12 + 1/20) = −1,9/0,3 = −6,333 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I3 = (12 − VA)/R3 = (12 − (−6,333))/20 = 0,9167 A
Ответ
I3 = 0,9167 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = −5,852 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 = 18 V, V2 = −6 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 − 18)/25 + (VA − VB)/5 = 0
0,49·VA − 0,2·VB = 0,72
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/15 + (VB − VA)/5 + (VB − (−6))/5 = (−6)
−0,2·VA + 0,4667·VB = −7,2
Решите
Δ = (0,49)(0,4667) − (−0,2)(−0,2) = 0,1887
VA = Δ1/Δ = −1,104/0,1887 = −5,852 V
VB = Δ2/Δ = −3,384/0,1887 = −17,94 V
Ответ
VA = −5,852 V
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = 0,1286 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
2·I1 + 10(I1 − I2) = 9
12·I1 − 10·I2 = 9
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
10·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 20·I2 = −6
Решите
Δ = (12)(20) − (−10)(−10) = 140
I1 = Δ1/Δ = 120/140 = 0,8571 A
I2 = Δ2/Δ = 18/140 = 0,1286 A
Ответ
I2 = 0,1286 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = −1,429 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 + 15(I1 − I2) = 24
21·I1 − 15·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
5·I2 + 15(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 23·I2 − 3·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 + 3(I3 − I2) = (−36)
−3·I2 + 23·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5745
I1 = Δ1/Δ = 10860/5745 = 1,89 A
I2 = Δ2/Δ = 6012/5745 = 1,046 A
I3 = Δ3/Δ = −8208/5745 = −1,429 A
Ответ
IR3 = I3 = −1,429 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 15,2 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 отклик как сумму вкладов
Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.
I = k₁·Vs + k₂·Is
12·k₁ + 6·k₂ = 16,8
20·k₁ + 3·k₂ = 25,2
Находим константы
Δ = (12)(3) − (6)(20) = −84
k₁ = Δ1/Δ = −100,8/−84 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −33,6/−84 = 0,4
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = 0,4
Предсказываем новый ток
I = 1,2·12 + 0,4·2 = 15,2 mA
Ответ
I = 15,2 mA
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 37,8 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) = 12 ∥ 31 = 8,651 Ω
VA = 36·8,651/(30+8,651) = 8,058 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,058·25/31 = 6,498 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R3 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 14,57 Ω
Req = R4 ∥ 14,57 = 9,206 Ω
VB = −Is·Req = −3·9,206 = −27,62 V
VA = VB·8,571/14,57 = −16,25 V
Случай 3 · действует только V2, на один вольт
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 8,571 Ω
VA‴ = V2·8,571/(25 + 6 + 8,571) = 0,2166·V2
Приравниваем VA к нулю
При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.
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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 3 = 6,158 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) = 24·4/(15+4) = 5,053 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) = 5,053/(6,158 + 5) = 0,4528 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 23,86 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 2 = 5,429 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) = 2,143 + 4·3,429 = 15,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,86 + 4·2 = 23,86 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 1400 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 = (15 − 1)·100 = 1400 kΩ
Ответ
Rf = 1400 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Av = −1,213
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 каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −2/2 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/4,7 = 1,213
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −1·1,213 = −1,213
Ответ
Av = −1,213
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 3,662 V
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
τ = L/R = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
Убывание тока
i(t) = 0,5·e−5/4,545 = 0,1664 A
vR = R·i = 22·0,1664 = 3,662 V
Ответ
vR = 3,662 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1245 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.