Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 20 V и Is = 2 mA I = 30,5 mA; при Vs = 8 V и Is = 8 mA I = 14 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 12 V и Is = 4 mA.
20 V, 2 mA → 30,5 mA8 V, 8 mA → 14 mAVs = 12 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 3.
R1 = 4,7 kΩAv = 3
Rf = kΩ
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 = −0,4 V. Найдите выходное напряжение Vout.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.
Vs = 5 VR = 22 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 24 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 200 ms.
Vs = 10 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 200 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,162 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 3·17/(3+17) = 2,55 Ω
Req = R1 + 2,55 = 15 + 2,55 = 17,55 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/17,55 = 1,368 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,368·15 = 3,487 V
IR2 = VA/R2 = 3,487/3 = 1,162 A
Ответ
IR2 = 1,162 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,404 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 3,84 Ω
Req = R1 + 3,84 = 12 + 3,84 = 15,84 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/15,84 = 0,6313 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,6313·12 = 2,424 V
IR2 = VA/R2 = 2,424/6 = 0,404 A
Ответ
IR2 = 0,404 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 1,282 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/15 + (VA − 18)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,4667·VA − 0,06667·VB = 6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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, 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 − 10)/25 + (VA − VB)/8 = 0
0,265·VA − 0,125·VB = 0,4
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/15 + (VB − VA)/8 + (VB − 36)/4 = (−0,5)
−0,125·VA + 0,4417·VB = 8,5
Решите
Δ = (0,265)(0,4417) − (−0,125)(−0,125) = 0,1014
VA = Δ1/Δ = 1,239/0,1014 = 12,22 V
VB = Δ2/Δ = 2,302/0,1014 = 22,7 V
Ответ
VB = 22,7 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = −2,25 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
8·I1 + 20(I1 − I2) = 9
28·I1 − 20·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 20(I2 − I1) = (−18)
−20·I1 + 28·I2 = −18
Решите
Δ = (28)(28) − (−20)(−20) = 384
I1 = Δ1/Δ = −108/384 = −0,2813 A
I2 = Δ2/Δ = −324/384 = −0,8438 A
Ответ
IR1 = I1 = −0,2813 A
VR1 = IR1·R1 = −0,2813·8 = −2,25 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 0,214 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
2·I1 + 12(I1 − I2) = 6
14·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 12(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 44·I2 − 30·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
10·I3 + 30(I3 − I2) = (−12)
−30·I2 + 40·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6280
I1 = Δ1/Δ = 840/6280 = 0,1338 A
I2 = Δ2/Δ = −2160/6280 = −0,3439 A
I3 = Δ3/Δ = −3504/6280 = −0,558 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 0,214 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 19 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
20·k₁ + 2·k₂ = 30,5
8·k₁ + 8·k₂ = 14
Находим константы
Δ = (20)(8) − (2)(8) = 144
k₁ = Δ1/Δ = 216/144 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = 36/144 = 0,25
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = 0,25
Предсказываем новый ток
I = 1,5·12 + 0,25·4 = 19 mA
Ответ
I = 19 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = −1,077 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) = 2 ∥ 34 = 1,889 Ω
VA = 9·1,889/(15+1,889) = 1,007 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,007·30/34 = 0,8882 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,8882 − 0)/30 = 0,02961 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 = 1,765 Ω, поэтому левый путь — R2+1,765 = 5,765 Ω
Req = R4 ∥ 5,765 = 4,836 Ω
VB = Is·Req = (−6)·4,836 = −29,01 V
VA = VB·1,765/5,765 = −8,882 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−29,01 − 0)/30 = −0,9671 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·5,765/35,76 = 0,8059 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 0,8059·1,765/5,765 = 0,2467 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (0,8059 − 5)/30 = −0,1398 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,02961 + (−0,9671) + (−0,1398) = −1,077 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 2,105 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 10 = 13,16 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) = 10·4/(15+4) = 2,105 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,9615 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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 5 = 7,5 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) = 15 + 0,5·2,5 = 16,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,25 + 0,5·5 = 18,75 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) = 18,75/(7,5 + 12) = 0,9615 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 9,4 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 = (3 − 1)·4,7 = 9,4 kΩ
Ответ
Rf = 9,4 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 12,51 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 = −100/10 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/4,7 = 3,128
Каскад за каскадом
V1 = −10·(−0,4) = 4 V
Vout = 3,128·4 = 12,51 V
Ответ
Vout = 12,51 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 0,9913 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 = 47 mH / 22 Ω = 2,136 ms
i(∞) = Vs/R = 5/22 = 0,2273 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,2273·(1 − e−5/2,136) = 0,2054 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·47·0,2054² = 0,9913 mJ
Ответ
W = 0,9913 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 20,43 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.