Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.
V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 15,5 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 9 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = −7,5 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 15,5 mA2·V1: I = 9 mA−Is: I = −7,5 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 25.
R1 = 2 kΩAv = 25
Rf = kΩ
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 = 1,7 VV2 = 0,9 VR1 = 100 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 15 ms, в mJ.
Vs = 9 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 15 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 12 V, ровно через 100 ms после старта. При C = 1 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 15 VVth = 12 VT = 100 msC = 1 µF
R = kΩ
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,3763 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 = 2 + 20 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 15·22/(15+22) = 8,919 Ω
Req = R1 + 8,919 = 15 + 8,919 = 23,92 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/23,92 = 0,3763 A
Ответ
IR1 = 0,3763 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,3942 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 3,304 Ω
R3 + 3,304 = 11,3 Ω
R2 ∥ 11,3 = 4,685 Ω
Req = R1 + 4,685 = 8 + 4,685 = 12,68 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/12,68 = 0,3942 A
Ответ
IR1 = 0,3942 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,2075 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 = 10 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/12 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0,5167·VA − 0,3333·VB = 1
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)/3 = 2
−0,3333·VA + 0,5·VB = 2
Решите
Δ = (0,5167)(0,5) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1472
VA = Δ1/Δ = 1,167/0,1472 = 7,925 V
VB = Δ2/Δ = 1,367/0,1472 = 9,283 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 7,925)/10 = 0,2075 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 9,494 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)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,35·VA − 0,05·VB = 0,9
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/20 + (VB − VA)/20 + (VB − 6)/2 = 2,5
−0,05·VA + 0,6·VB = 5,5
Решите
Δ = (0,35)(0,6) − (−0,05)(−0,05) = 0,2075
VA = Δ1/Δ = 0,815/0,2075 = 3,928 V
VB = Δ2/Δ = 1,97/0,2075 = 9,494 V
Ответ
VB = 9,494 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 9,6 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
20·I1 + 4(I1 − I2) = 24
24·I1 − 4·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 4(I2 − I1) = (−30)
−4·I1 + 9·I2 = −30
Решите
Δ = (24)(9) − (−4)(−4) = 200
I1 = Δ1/Δ = 96/200 = 0,48 A
I2 = Δ2/Δ = −624/200 = −3,12 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,48 A
VR1 = IR1·R1 = 0,48·20 = 9,6 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,5846 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 + 3(I1 − I2) = 5
8·I1 − 3·I2 = 5
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
20·I2 + 3(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 28·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
5·I3 + 5(I3 − I2) = (−9)
−5·I2 + 10·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1950
I1 = Δ1/Δ = 1140/1950 = 0,5846 A
I2 = Δ2/Δ = −210/1950 = −0,1077 A
I3 = Δ3/Δ = −1860/1950 = −0,9538 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,5846 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 0,45 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.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 15,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 9
I₁ + I₂ − I₃ = −7,5
Находим вклады
I₁ = 9 − 15,5 = −6,5 mA
I₃ = (15,5 − (−7,5))/2 = 11,5 mA
I₂ = 15,5 − (−6,5) − 11,5 = 10,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = (−6,5) + 11,5 = 5 mA
Ответ
I = 5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,2 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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 12 = 14,31 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) = 15·3/(10+3) = 3,462 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) = 3,462/(14,31 + 3) = 0,2 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 170,2 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 12 = 16,29 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) = 10,71 + 6·4,286 = 36,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36,43 + 6·12 = 108,4 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) = 108,4/(16,29 + 10) = 4,125 A
PL = IL²·RL = 4,125²·10 = 170,2 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 48 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 = (25 − 1)·2 = 48 kΩ
Ответ
Rf = 48 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = 0,467 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 = 1,7/100 = 0,017 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/2 = 0,45 mA
If = I1 + I2 = 0,467 mA
Ответ
If = 0,467 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 21,77 mJ
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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 9/10 = 0,9 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,9·(1 − e−15/22) = 0,4449 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·220·0,4449² = 21,77 mJ
Ответ
W = 21,77 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 62,13 kΩ
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.