Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 1 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.
Vin = 1 VR = 100 kΩC = 1 µFVsat = ±14 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 0,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,1 A? Найдите t.
i(0) = 0,5 AR = 50 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 25 ms.
Vs = 6 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 33 µFt = 25 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 3,316 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 = 4 + 4 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Req = R1 + 3,429 = 2 + 3,429 = 5,429 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/5,429 = 3,316 A
Ответ
IR1 = 3,316 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 14,02 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 5,185 Ω
R3 + 5,185 = 30,19 Ω
R2 ∥ 30,19 = 10,02 Ω
Req = R1 + 10,02 = 4 + 10,02 = 14,02 Ω
Ответ
Req = 14,02 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 12,47 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 = 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/15 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/8 = 0
0,6917·VA − 0,125·VB = 5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,1917·VB = 4
Решите
Δ = (0,6917)(0,1917) − (−0,125)(−0,125) = 0,1169
VA = Δ1/Δ = 1,458/0,1169 = 12,47 V
VB = Δ2/Δ = 3,392/0,1169 = 29 V
Ответ
VA = 12,47 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,2679 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.
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 + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 10)/12 + VA/20 + (VA + 5)/3 = 4
VA·(1/12 + 1/20 + 1/3) = 4 + 10/12 − 5/3 = 3,167
VA = 3,167/0,4667 = 6,786 V
VB = 11,79 V
Ток через R₁
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 6,786)/12 = 0,2679 A
Ответ
IR1 = 0,2679 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,3333 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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 6
16·I1 − 10·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
3·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 13·I2 = −6
Решите
Δ = (16)(13) − (−10)(−10) = 108
I1 = Δ1/Δ = 18/108 = 0,1667 A
I2 = Δ2/Δ = −36/108 = −0,3333 A
Ответ
I2 = −0,3333 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −1,875 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
20·I1 + 3(I1 − I2) = 10
23·I1 − 3·I2 = 10
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 + 3(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 15·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
4·I3 + 8(I3 − I2) = (−15)
−8·I2 + 12·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2560
I1 = Δ1/Δ = 800/2560 = 0,3125 A
I2 = Δ2/Δ = −2400/2560 = −0,9375 A
I3 = Δ3/Δ = −4800/2560 = −1,875 A
Ответ
I3 = −1,875 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = −0,9265 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.
R3+R4 = 10+15 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·25/(20+25) = 11,11 Ω
VA = 6·11,11/(4+11,11) = 4,412 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,412·15/25 = 2,647 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 4,412)/4 = 0,3971 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 13,33 = 7,059 Ω
VB = Is·Req = 3·7,059 = 21,18 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,18·3,333/13,33 = 5,294 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5,294)/4 = −1,324 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,3971 + (−1,324) = −0,9265 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 2,222 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) = 12 ∥ 28 = 8,4 Ω
VA = 36·8,4/(4+8,4) = 24,39 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 24,39·25/28 = 21,77 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (24,39 − 0)/12 = 2,032 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 Ω, поэтому левый путь — R2+3 = 6 Ω
Req = R4 ∥ 6 = 4,839 Ω
VB = Is·Req = (−0,5)·4,839 = −2,419 V
VA = VB·3/6 = −1,21 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−1,21 − 0)/12 = −0,1008 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·6/31 = 6,968 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,968·3/6 = 3,484 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (3,484 − 0)/12 = 0,2903 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 2,032 + (−0,1008) + 0,2903 = 2,222 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,25 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 8 = 10 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) = 30·4/(4+4) = 15 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) = 15/(10 + 2) = 1,25 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 53,71 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 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,143 + 2 = 9,143 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) = 17,14 + 4·7,143 = 45,71 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 45,71 + 4·2 = 53,71 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,818 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.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 100 kΩ · 1 µF = 100 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −1/100 = −0,01 V/ms
Время до насыщения
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·100/1 = 1400 ms
Ответ
t = 1400 ms
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,7082 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
τ = L/R = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms
Выразите время
0,1 = 0,5·e−t/τ → t = τ·ln(0,5/0,1)
t = 0,44·ln(5) = 0,7082 ms
Ответ
t = 0,7082 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 0,6541 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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.