Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I2 в ветви 2, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,2·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.
Vs = 6 VR = 50 ΩL = 220 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,45 A? Найдите t.
Vs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 15,73 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.
R3 + R4 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 8·7/(8+7) = 3,733 Ω
Req = R1 + 3,733 = 12 + 3,733 = 15,73 Ω
Ответ
Req = 15,73 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6887 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 = 3 + 10 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 4,952 Ω
R3 + 4,952 = 10,95 Ω
R2 ∥ 10,95 = 7,616 Ω
Req = R1 + 7,616 = 3 + 7,616 = 10,62 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/10,62 = 2,261 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2,261·3 = 17,22 V
IR2 = VA/R2 = 17,22/25 = 0,6887 A
Ответ
IR2 = 0,6887 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I2 = −1,277 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
Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.
(VA − 24)/15 + (VA − 9)/8 + (VA − 24)/5 = 0
Находим VA
VA = (24/15 + 9/8 + 24/5) / (1/15 + 1/8 + 1/5) = 7,525/0,3917 = 19,21 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I2 = (9 − VA)/R2 = (9 − 19,21)/8 = −1,277 A
Ответ
I2 = −1,277 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 0,8824 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
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,225·VA − 0,05·VB = 0,75
ЗТК в узле B
Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,2·VA
−0,25·VA + 0,15·VB = 0
Решите
Δ = (0,225)(0,15) − (−0,05)(−0,25) = 0,02125
VA = Δ1/Δ = 0,1125/0,02125 = 5,294 V
VB = Δ2/Δ = 0,1875/0,02125 = 8,824 V
Ток через R₄
IR4 = VB/R4 = 8,824/10 = 0,8824 A
Ответ
IR4 = 0,8824 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = −1,063 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
3·I1 + 12(I1 − I2) = 10
15·I1 − 12·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
5·I2 + 12(I2 − I1) = (−24)
−12·I1 + 17·I2 = −24
Решите
Δ = (15)(17) − (−12)(−12) = 111
I1 = Δ1/Δ = −118/111 = −1,063 A
I2 = Δ2/Δ = −240/111 = −2,162 A
Ответ
I1 = −1,063 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −0,5227 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
8·I1 + 4(I1 − I2) = 24
12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 4(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 27·I2 − 3·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
30·I3 + 3(I3 − I2) = (−18)
−3·I2 + 33·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10056
I1 = Δ1/Δ = 20952/10056 = 2,084 A
I2 = Δ2/Δ = 2520/10056 = 0,2506 A
I3 = Δ3/Δ = −5256/10056 = −0,5227 A
Ответ
I3 = −0,5227 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR4 = −23 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 15+12 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·27/(3+27) = 2,7 Ω
VA = 30·2,7/(20+2,7) = 3,568 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,568·12/27 = 1,586 V
VR4′ = 0 − VB = 0 − 1,586 = −1,586 V
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) = 12 ∥ 17,61 = 7,137 Ω
VB = Is·Req = 3·7,137 = 21,41 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,41·2,609/17,61 = 3,172 V
VR4″ = 0 − VB = 0 − 21,41 = −21,41 V
Сложите составляющие
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = (−1,586) + (−21,41) = −23 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 42 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) = 3 ∥ 45 = 2,813 Ω
VA = 24·2,813/(10+2,813) = 5,268 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,268·25/45 = 2,927 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 = 2,308 Ω, поэтому левый путь — R2+2,308 = 22,31 Ω
Req = R4 ∥ 22,31 = 11,79 Ω
VB = −Is·Req = −6·11,79 = −70,73 V
VA = VB·2,308/22,31 = −7,317 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 = 2,308 Ω
VA‴ = V2·2,308/(25 + 20 + 2,308) = 0,04878·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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 12 = 14 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/(4+4) = 5 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 = 5/14 = 0,3571 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 4,244 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 8 = 12,29 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) = 21,43 + 2,5·4,286 = 32,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 32,14 + 2,5·8 = 52,14 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 = 52,14/12,29 = 4,244 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 9,2 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 0,4 V
I = V₋/R1 = 0,4/1 = 0,4 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,4 + 0,4·22 = 9,2 V
Ответ
Vout = 9,2 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,577 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.
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 / 50 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,12·(1 − e−10/4,4) = 0,1076 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·220·0,1076² = 1,274 mJ
Ответ
W = 1,274 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 1,629 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
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.