Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт VA − VB = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Через катушку течёт установившийся ток 1 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,2 A? Найдите t.
i(0) = 1 AR = 50 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.
Vs = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,9857 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Req = R1 + 5,217 = 10 + 5,217 = 15,22 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/15,22 = 0,9857 A
Ответ
IR1 = 0,9857 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,2829 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 7,143 Ω
R3 + 7,143 = 19,14 Ω
R2 ∥ 19,14 = 1,811 Ω
Req = R1 + 1,811 = 30 + 1,811 = 31,81 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/31,81 = 0,2829 A
Ответ
IR1 = 0,2829 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = −2,075 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/3 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0,9333·VA − 0,1·VB = 5
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.
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 − 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 18)/15 + VA/5 + (VA − 9)/20 = 6
VA·(1/15 + 1/5 + 1/20) = 6 + 18/15 + 9/20 = 7,65
VA = 7,65/0,3167 = 24,16 V
VB = 15,16 V
Ответ
VB = 15,16 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 1,059 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
5·I1 + 6(I1 − I2) = 18
11·I1 − 6·I2 = 18
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 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 11·I2 = −30
Решите
Δ = (11)(11) − (−6)(−6) = 85
I1 = Δ1/Δ = 18/85 = 0,2118 A
I2 = Δ2/Δ = −222/85 = −2,612 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,2118 A
VR1 = IR1·R1 = 0,2118·5 = 1,059 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR2 = −0,2051 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
6·I1 + 5(I1 − I2) = 10
11·I1 − 5·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
6·I2 + 5(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 16·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
12·I3 + 5(I3 − I2) = (−24)
−5·I2 + 17·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2292
I1 = Δ1/Δ = 1870/2292 = 0,8159 A
I2 = Δ2/Δ = −470/2292 = −0,2051 A
I3 = Δ3/Δ = −3374/2292 = −1,472 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,2051 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = 2,644 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 = 4+10 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·14/(3+14) = 2,471 Ω
VA = 15·2,471/(20+2,471) = 1,649 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,649·10/14 = 1,178 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (1,649 − 0)/3 = 0,5497 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 6,609 = 3,979 Ω
VB = Is·Req = 4·3,979 = 15,92 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,92·2,609/6,609 = 6,283 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (6,283 − 0)/3 = 2,094 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,5497 + 2,094 = 2,644 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = 10,06 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 = 9·5,182/(2+5,182) = 6,494 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,494·8/38 = 1,367 V
VR2′ = VB − VA = 1,367 − 6,494 = −5,127 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.
R1 ∥ R3 = 1,5 Ω, поэтому левый путь — R2+1,5 = 31,5 Ω
Req = R4 ∥ 31,5 = 6,38 Ω
VB = Is·Req = 1·6,38 = 6,38 V
VA = VB·1,5/31,5 = 0,3038 V
VR2″ = VB − VA = 6,38 − 0,3038 = 6,076 V
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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·31,5/39,5 = 9,57 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,57·1,5/31,5 = 0,4557 V
VR2‴ = VB − VA = 9,57 − 0,4557 = 9,114 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−5,127) + 6,076 + 9,114 = 10,06 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 20,57 Ω
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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 12 = 20,57 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,544 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 10 = 11,71 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) = 5,143 + 1,5·1,714 = 7,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,714 + 1,5·10 = 22,71 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) = 22,71/(11,71 + 3) = 1,544 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,734 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.
Напряжение на входе +
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,5·22/(1 + 22) = 0,4783 V
Наложение двух входов
При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.
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
0,2 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,2)
t = 0,44·ln(5) = 0,7082 ms
Ответ
t = 0,7082 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,5078 A
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
До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.