Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 13 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 5 ms.
Vs = 24 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 6 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 10,2 V? Найдите t.
Vs = 12 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 6 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,184 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 4 + 4,444 = 8,444 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/8,444 = 1,184 A
Ответ
IR1 = 1,184 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,262 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 = 12 + 25 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 2,775 Ω
R3 + 2,775 = 32,77 Ω
R2 ∥ 32,77 = 1,885 Ω
Req = R1 + 1,885 = 25 + 1,885 = 26,88 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/26,88 = 1,339 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,339·25 = 2,524 V
IR2 = VA/R2 = 2,524/2 = 1,262 A
Ответ
IR2 = 1,262 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = −2,049 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 = 9 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/10 + (VA − 9)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,55·VA − 0,25·VB = 1,8
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/4 = (−3)
−0,25·VA + 0,3·VB = −3
Решите
Δ = (0,55)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,1025
VA = Δ1/Δ = −0,21/0,1025 = −2,049 V
VB = Δ2/Δ = −1,2/0,1025 = −11,71 V
Ответ
VA = −2,049 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 1,133 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
VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(13 − 15)/5 + 13/15 = (VB − 13)/15
0,4667 = (VB − 13)/15 → VB = 20 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (20 − 13)/15 + 20/30 = 1,133 A
Ответ
Is = 1,133 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR2 = −3,228 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
15·I1 + 8(I1 − I2) = 10
23·I1 − 8·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 8(I2 − I1) = (−30)
−8·I1 + 11·I2 = −30
Решите
Δ = (23)(11) − (−8)(−8) = 189
I1 = Δ1/Δ = −130/189 = −0,6878 A
I2 = Δ2/Δ = −610/189 = −3,228 A
Ответ
IR2 = I2 = −3,228 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,657 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
25·I1 + 12(I1 − I2) = 24
37·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 12(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 42·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
4·I3 + 15(I3 − I2) = (−9)
−15·I2 + 19·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 18465
I1 = Δ1/Δ = 12132/18465 = 0,657 A
I2 = Δ2/Δ = 477/18465 = 0,02583 A
I3 = Δ3/Δ = −8370/18465 = −0,4533 A
Ответ
I1 = 0,657 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 1,105 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+4 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
VA = 6·1,75/(3+1,75) = 2,211 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,211·4/14 = 0,6316 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 2,211)/3 = 1,263 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 11,2 = 2,947 Ω
VB = Is·Req = 1,5·2,947 = 4,421 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,421·1,2/11,2 = 0,4737 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 0,4737)/3 = −0,1579 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,263 + (−0,1579) = 1,105 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 5,8 V
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) = 6 ∥ 38 = 5,182 Ω
VA = 18·5,182/(20+5,182) = 3,704 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,704·8/38 = 0,7798 V
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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R3 = 4,615 Ω, поэтому левый путь — R2+4,615 = 34,62 Ω
Req = R4 ∥ 34,62 = 6,498 Ω
VB = −Is·Req = −5·6,498 = −32,49 V
VA = VB·4,615/34,62 = −4,332 V
Случай 3 · действует только V2, на один вольт
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 4,615 Ω
VA‴ = V2·4,615/(8 + 30 + 4,615) = 0,1083·V2
Приравниваем VA к нулю
При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.
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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 20 = 25,45 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) = 10·12/(10+12) = 5,455 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 5,455/25,45 = 0,2143 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 37,5 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 8 = 11 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) = 4,5 + 3·3 = 13,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,5 + 3·8 = 37,5 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,902 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.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = −0,8/47 = −0,01702 mA
I2 = V2/R2 = 1,5/22 = 0,06818 mA
If = I1 + I2 = 0,05116 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·0,05116 = −0,5116 V
Ответ
Vout = −0,5116 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 11,53 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.
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 = 150 mH / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 24/22 = 1,091 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−5/6,818 = 11,53 V
Ответ
vL = 11,53 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 264,9 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.