Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 6 V и Is = 1 mA I = 8,75 mA; при Vs = 2 V и Is = 2 mA I = 2,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 1 mA.
6 V, 1 mA → 8,75 mA2 V, 2 mA → 2,5 mAVs = 5 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
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 = 2,2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 250 ms.
Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 100 µFt = 250 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 3,16 V, ровно через 200 ms после старта. При R = 1 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 5 VVth = 3,16 VT = 200 msR = 1 kΩ
C = µF
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,3448 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 + 20 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 20·40/(20+40) = 13,33 Ω
Req = R1 + 13,33 = 6 + 13,33 = 19,33 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/19,33 = 0,5172 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,5172·6 = 6,897 V
IR2 = VA/R2 = 6,897/20 = 0,3448 A
Ответ
IR2 = 0,3448 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 2,594 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 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 4,435 Ω
R3 + 4,435 = 16,43 Ω
R2 ∥ 16,43 = 1,783 Ω
Req = R1 + 1,783 = 4 + 1,783 = 5,783 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/5,783 = 2,594 A
Ответ
IR1 = 2,594 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = −6,145 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). 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 − 24)/12 + (VA − VB)/6 = 0
0,45·VA − 0,1667·VB = 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/10 + (VB − VA)/6 = (−2)
−0,1667·VA + 0,2667·VB = −2
Решите
Δ = (0,45)(0,2667) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,09222
VA = Δ1/Δ = 0,2/0,09222 = 2,169 V
VB = Δ2/Δ = −0,5667/0,09222 = −6,145 V
Ответ
VB = −6,145 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = −0,7206 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 = 18 V, V2 = 36 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/10 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/30 = 0
0,3833·VA − 0,03333·VB = 4,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 18
18·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 10(I2 − I1) = (−30)
−10·I1 + 22·I2 = −30
Решите
Δ = (18)(22) − (−10)(−10) = 296
I1 = Δ1/Δ = 96/296 = 0,3243 A
I2 = Δ2/Δ = −360/296 = −1,216 A
Ответ
IR2 = I2 = −1,216 A
VR2 = IR2·R2 = −1,216·12 = −14,59 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = −0,09302 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 + 6(I1 − I2) = 36
12·I1 − 6·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
5·I2 + 6(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 16·I2 − 5·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
30·I3 + 5(I3 − I2) = (−10)
−5·I2 + 35·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5160
I1 = Δ1/Δ = 18960/5160 = 3,674 A
I2 = Δ2/Δ = 6960/5160 = 1,349 A
I3 = Δ3/Δ = −480/5160 = −0,09302 A
Ответ
IR3 = I3 = −0,09302 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 7,25 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
6·k₁ + 1·k₂ = 8,75
2·k₁ + 2·k₂ = 2,5
Находим константы
Δ = (6)(2) − (1)(2) = 10
k₁ = Δ1/Δ = 15/10 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −2,5/10 = −0,25
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,25
Предсказываем новый ток
I = 1,5·5 + (−0,25)·1 = 7,25 mA
Ответ
I = 7,25 mA
8.Метод наложения
Ответ: PR3 = 37,09 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 8 ∥ 30 = 6,316 Ω
VA = 18·6,316/(4+6,316) = 11,02 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,02·20/30 = 7,347 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (11,02 − 0)/8 = 1,378 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 = 2,667 Ω, поэтому левый путь — R2+2,667 = 12,67 Ω
Req = R4 ∥ 12,67 = 7,755 Ω
VB = Is·Req = 5·7,755 = 38,78 V
VA = VB·2,667/12,67 = 8,163 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (8,163 − 0)/8 = 1,02 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·12,67/32,67 = −9,306 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −9,306·2,667/12,67 = −1,959 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR3 = IR3²·R3 = 2,153²·8 = 37,09 W
Ответ
PR3 = 37,09 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 23,99 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 4 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 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) = 6·20/(10+20) = 4 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 18,75 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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 6 = 8,5 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) = 6 + 1,5·2,5 = 9,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,75 + 1,5·6 = 18,75 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 3,881 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 + 4,7/2 = 3,35
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3,35 = 3,881 V
Ответ
Vin,max = 3,881 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −4,255 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 = 22 kΩ · 0,47 µF = 10,34 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −2,2/10,34 = −0,2128 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2,2·20/10,34 = −4,255 V
Ответ
Vout = −4,255 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 2,989 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·3,3/(4,7 + 3,3) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 10·3,3/(4,7 + 3,3) = 4,125 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 1,939·100 = 193,9 ms
Кривая заряда
vC(t) = 4,125·(1 − e−250/193,9) = 2,989 V
Ответ
vC = 2,989 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 200,1 µF
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.