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 = 8 mA I = 2,4 mA; при Vs = 5 V и Is = 5 mA I = 0,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 10 mA.
12 V, 8 mA → 2,4 mA5 V, 5 mA → 0,5 mAVs = 5 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −5 VRa = 10 kΩRb = 1 kΩR1 = 1 kΩRf = 22 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 = −0,3 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.
Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 2,2 kΩC = 100 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 8,5 V? Найдите t.
Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 8 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8,444 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 4 + 4,444 = 8,444 Ω
Ответ
Req = 8,444 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,4599 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 3,5 Ω
R3 + 3,5 = 11,5 Ω
R2 ∥ 11,5 = 5,872 Ω
Req = R1 + 5,872 = 5 + 5,872 = 10,87 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/10,87 = 0,4599 A
Ответ
IR1 = 0,4599 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I3 = 0,14 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 − (−10))/20 + (VA − 18)/15 + (VA − 10)/20 = 0
Находим VA
VA = ((−10)/20 + 18/15 + 10/20) / (1/20 + 1/15 + 1/20) = 1,2/0,1667 = 7,2 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I3 = (10 − VA)/R3 = (10 − 7,2)/20 = 0,14 A
Ответ
I3 = 0,14 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 0,9231 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 = −12 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/2 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/5 = 0
1,2·VA − 0,2·VB = 15
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/8 + (VB − VA)/5 + (VB − (−12))/30 = 3
−0,2·VA + 0,3583·VB = 2,6
Решите
Δ = (1,2)(0,3583) − (−0,2)(−0,2) = 0,39
VA = Δ1/Δ = 5,895/0,39 = 15,12 V
VB = Δ2/Δ = 6,12/0,39 = 15,69 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (15,69 − −12)/30 = 0,9231 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −1,867 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
3·I1 + 15(I1 − I2) = 12
18·I1 − 15·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
5·I2 + 15(I2 − I1) = (−24)
−15·I1 + 20·I2 = −24
Решите
Δ = (18)(20) − (−15)(−15) = 135
I1 = Δ1/Δ = −120/135 = −0,8889 A
I2 = Δ2/Δ = −252/135 = −1,867 A
Ответ
I2 = −1,867 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,8333 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 9
9·I1 − 6·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
4·I2 + 6(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 25·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 21·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1944
I1 = Δ1/Δ = 1620/1944 = 0,8333 A
I2 = Δ2/Δ = −486/1944 = −0,25 A
I3 = Δ3/Δ = −1458/1944 = −0,75 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,8333 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = −1 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 + 8·k₂ = 2,4
5·k₁ + 5·k₂ = 0,5
Находим константы
Δ = (12)(5) − (8)(5) = 20
k₁ = Δ1/Δ = 8/20 = 0,4
k₂ = Δ2/Δ = −6/20 = −0,3
k₁ = 0,4 mA/V, k₂ = −0,3
Предсказываем новый ток
I = 0,4·5 + (−0,3)·10 = −1 mA
Ответ
I = −1 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR2 = 0,3117 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.
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,4528 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 5 = 6,6 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) = 6·8/(2+8) = 4,8 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) = 4,8/(6,6 + 4) = 0,4528 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 13,54 W
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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 25 = 27,68 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) = 8,036 + 2,5·2,679 = 14,73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,73 + 2,5·25 = 77,23 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) = 77,23/(27,68 + 2) = 2,602 A
PL = IL²·RL = 2,602²·2 = 13,54 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −10,45 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.
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 = −22/10 = −2,2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/22 = 1,455
Каскад за каскадом
V1 = −2,2·(−0,3) = 0,66 V
Vout = 1,455·0,66 = 0,96 V
Ответ
Vout = 0,96 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: τ = 180,3 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·2,2/(10 + 2,2) = 1,803 kΩ
vC(∞) = 12·2,2/(10 + 2,2) = 2,164 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 1,803·100 = 180,3 ms
Ответ
τ = 180,3 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 75,48 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.