Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Is = 3 AVs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 5 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).
Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 15 V и Is = 8 mA I = 27,3 mA; при Vs = 5 V и Is = 8 mA I = 12,3 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 4 mA.
15 V, 8 mA → 27,3 mA5 V, 8 mA → 12,3 mAVs = 5 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,4 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = 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.
V1 = 1,4 VV2 = 1 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 95% конечного значения? Найдите t.
Vs = 10 VR = 15 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 6 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 750 ms.
Vs = 12 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 6 Vt = 750 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,4444 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 12·32/(12+32) = 8,727 Ω
Req = R1 + 8,727 = 6 + 8,727 = 14,73 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/14,73 = 0,6111 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,6111·6 = 5,333 V
IR2 = VA/R2 = 5,333/12 = 0,4444 A
Ответ
IR2 = 0,4444 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,9898 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 11,11 Ω
R3 + 11,11 = 15,11 Ω
R2 ∥ 15,11 = 1,766 Ω
Req = R1 + 1,766 = 25 + 1,766 = 26,77 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/26,77 = 1,121 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,121·25 = 1,98 V
IR2 = VA/R2 = 1,98/2 = 0,9898 A
Ответ
IR2 = 0,9898 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 13,8 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.
Образуем супер-узел
Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.
VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/20 + (VA + 9)/5 = 3
VA = (3 − 9/5)/(1/20 + 1/5) = 4,8 V
VB = 4,8 + 9 = 13,8 V
Ответ
VB = 13,8 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 12,86 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 = 30 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/30 + (VA − 24)/5 + (VA − VB)/2 = 0
0,7333·VA − 0,5·VB = 4,8
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/2 + (VB − VA)/2 + (VB − 30)/25 = 2
−0,5·VA + 1,04·VB = 3,2
Решите
Δ = (0,7333)(1,04) − (−0,5)(−0,5) = 0,5127
VA = Δ1/Δ = 6,592/0,5127 = 12,86 V
VB = Δ2/Δ = 4,747/0,5127 = 9,259 V
Ответ
VA = 12,86 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR2 = −4 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
3·I1 + 4(I1 − I2) = 12
7·I1 − 4·I2 = 12
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 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 10·I2 = −12
Решите
Δ = (7)(10) − (−4)(−4) = 54
I1 = Δ1/Δ = 72/54 = 1,333 A
I2 = Δ2/Δ = −36/54 = −0,6667 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,6667 A
VR2 = IR2·R2 = −0,6667·6 = −4 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,365 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 + 5(I1 − I2) = 9
10·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 5(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 23·I2 − 12·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
2·I3 + 12(I3 − I2) = (−18)
−12·I2 + 14·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1430
I1 = Δ1/Δ = 522/1430 = 0,365 A
I2 = Δ2/Δ = −1530/1430 = −1,07 A
I3 = Δ3/Δ = −3150/1430 = −2,203 A
Ответ
I1 = 0,365 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 9,9 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
15·k₁ + 8·k₂ = 27,3
5·k₁ + 8·k₂ = 12,3
Находим константы
Δ = (15)(8) − (8)(5) = 80
k₁ = Δ1/Δ = 120/80 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = 48/80 = 0,6
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = 0,6
Предсказываем новый ток
I = 1,5·5 + 0,6·4 = 9,9 mA
Ответ
I = 9,9 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = 5,344 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 ∥ 34 = 4,359 Ω
VA = 12·4,359/(15+4,359) = 2,702 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,702·4/34 = 0,3179 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,3179 − 0)/4 = 0,07947 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 = 3,75 Ω, поэтому левый путь — R2+3,75 = 33,75 Ω
Req = R4 ∥ 33,75 = 3,576 Ω
VB = Is·Req = 5·3,576 = 17,88 V
VA = VB·3,75/33,75 = 1,987 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (17,88 − 0)/4 = 4,47 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·33,75/37,75 = −26,82 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −26,82·3,75/33,75 = −2,98 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−26,82 − −30)/4 = 0,7947 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,07947 + 4,47 + 0,7947 = 5,344 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 10 Ω
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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 8 = 10 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = −4 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 20 = 31,11 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) = 2,222 + (−6)·11,11 = −64,44 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −64,44 + (−6)·20 = −184,4 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) = −184,4/(31,11 + 15) = −4 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,8 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 0,4 V
I = V₋/R1 = 0,4/10 = 0,04 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,4 + 0,04·10 = 0,8 V
Ответ
Vout = 0,8 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = 1,445 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 = 1,4/1 = 1,4 mA
I2 = V2/R2 = 1/22 = 0,04545 mA
If = I1 + I2 = 1,445 mA
Ответ
If = 1,445 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 6,591 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 = 33 mH / 15 Ω = 2,2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A
Выразите время
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −2,2·ln(0,05) = 6,591 ms
Ответ
t = 6,591 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 10,01 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.