Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −0,9 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
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. Входное напряжение Vin = −0,55 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 75% конечного значения? Найдите t.
Vs = 5 VR = 50 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 10 ms.
Vs = 20 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 15,48 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 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 20·22/(20+22) = 10,48 Ω
Req = R1 + 10,48 = 5 + 10,48 = 15,48 Ω
Ответ
Req = 15,48 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 4,743 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 + 2 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2 Ω
R3 + 2 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 2,743 Ω
Req = R1 + 2,743 = 2 + 2,743 = 4,743 Ω
Ответ
Req = 4,743 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 3,091 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). 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 − 18)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,2·VA − 0,5·VB = 9
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,6667·VB = 1
Решите
Δ = (1,2)(0,6667) − (−0,5)(−0,5) = 0,55
VA = Δ1/Δ = 6,5/0,55 = 11,82 V
VB = Δ2/Δ = 5,7/0,55 = 10,36 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 11,82)/2 = 3,091 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR2 = −1,353 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 = 30 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/4 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,3667·VA − 0,05·VB = 2
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
3·I1 + 2(I1 − I2) = 6
5·I1 − 2·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
5·I2 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 7·I2 = −18
Решите
Δ = (5)(7) − (−2)(−2) = 31
I1 = Δ1/Δ = 6/31 = 0,1935 A
I2 = Δ2/Δ = −78/31 = −2,516 A
Ответ
IR2 = I2 = −2,516 A
VR2 = IR2·R2 = −2,516·5 = −12,58 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,547 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
8·I1 + 30(I1 − I2) = 30
38·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 30(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 44·I2 − 8·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
6·I3 + 8(I3 − I2) = (−15)
−8·I2 + 14·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8376
I1 = Δ1/Δ = 12960/8376 = 1,547 A
I2 = Δ2/Δ = 8040/8376 = 0,9599 A
I3 = Δ3/Δ = −4380/8376 = −0,5229 A
Ответ
I1 = 1,547 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 1,25 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.
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 ∥ 10 = 3,333 Ω
VA = 24·3,333/(15+3,333) = 4,364 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,364·5/10 = 2,182 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2,182 − 0)/5 = 0,4364 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 = 8,75 Ω
Req = R4 ∥ 8,75 = 3,182 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,182 = 7,955 V
VA = VB·3,75/8,75 = 3,409 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (7,955 − 0)/5 = 1,591 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) = 36·8,75/13,75 = 22,91 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 22,91·3,75/8,75 = 9,818 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (22,91 − 36)/5 = −2,618 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,4364 + 1,591 + (−2,618) = −0,5909 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 23,75 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 20 = 23,75 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 26,5 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 3 = 4,667 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) = 12,5 + 3·1,667 = 17,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17,5 + 3·3 = 26,5 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −2,7 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₊ = −0,9 V
I = V₋/R1 = −0,9/1 = −0,9 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,9 + (−0,9)·2 = −2,7 V
Ответ
Vout = −2,7 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 6 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 каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −47/4,7 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/22 = 1,091
Каскад за каскадом
V1 = −10·(−0,55) = 5,5 V
Vout = 1,091·5,5 = 6 V
Ответ
Vout = 6 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,61 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 = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0,1 A
Выразите время
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −0,44·ln(0,25) = 0,61 ms
Ответ
t = 0,61 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 1,275 A
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
До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.