Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VA (относительно земли).
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 24 VR = 68 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
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. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,8 A? Найдите t.
Vs = 20 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,4821 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 8·40/(8+40) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 12 + 6,667 = 18,67 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/18,67 = 0,4821 A
Ответ
IR1 = 0,4821 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,5073 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 1,81 Ω
R3 + 1,81 = 5,81 Ω
R2 ∥ 5,81 = 4,714 Ω
Req = R1 + 4,714 = 15 + 4,714 = 19,71 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/19,71 = 0,5073 A
Ответ
IR1 = 0,5073 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 73,8 W
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 подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/10 + (VA − 15)/3 + (VA − VB)/20 = 0
0,4833·VA − 0,05·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/5 + (VB − VA)/20 = 4
−0,05·VA + 0,25·VB = 4
Решите
Δ = (0,4833)(0,25) − (−0,05)(−0,05) = 0,1183
VA = Δ1/Δ = 1,45/0,1183 = 12,25 V
VB = Δ2/Δ = 2,183/0,1183 = 18,45 V
Мощность, отдаваемая источником тока
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 18,45·4 = 73,8 W
Ответ
PIs = 73,8 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 6,196 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.
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 + 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 18)/15 + VA/25 + (VA + 4)/5 = 1,5
VA·(1/15 + 1/25 + 1/5) = 1,5 + 18/15 − 4/5 = 1,9
VA = 1,9/0,3067 = 6,196 V
VB = 10,2 V
Ответ
VA = 6,196 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 1,421 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) = 30
23·I1 − 8·I2 = 30
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 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 16·I2 = −6
Решите
Δ = (23)(16) − (−8)(−8) = 304
I1 = Δ1/Δ = 432/304 = 1,421 A
I2 = Δ2/Δ = 102/304 = 0,3355 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,421 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,519 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 + 5(I1 − I2) = 36
25·I1 − 5·I2 = 36
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) + 2(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 13·I2 − 2·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 + 2(I3 − I2) = (−18)
−2·I2 + 14·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4100
I1 = Δ1/Δ = 6228/4100 = 1,519 A
I2 = Δ2/Δ = 1620/4100 = 0,3951 A
I3 = Δ3/Δ = −5040/4100 = −1,229 A
Ответ
I1 = 1,519 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR2 = 23,71 W
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+4 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
VA = 30·5,217/(10+5,217) = 10,29 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,29·4/8 = 5,143 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (10,29 − 0)/15 = 0,6857 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 10 = 2,857 Ω
VB = Is·Req = 5·2,857 = 14,29 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14,29·6/10 = 8,571 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (8,571 − 0)/15 = 0,5714 A
Складываем вклады токов
IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,6857 + 0,5714 = 1,257 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR2 = IR2²·R2 = 1,257²·15 = 23,71 W
Ответ
PR2 = 23,71 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 11,95 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = −19,28 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) = 8 ∥ 28 = 6,222 Ω
VA = 15·6,222/(3+6,222) = 10,12 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 10,12·8/28 = 2,892 V
VR2′ = VA − VB = 10,12 − 2,892 = 7,229 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 = 2,182 Ω, поэтому левый путь — R2+2,182 = 22,18 Ω
Req = R4 ∥ 22,18 = 5,88 Ω
VB = Is·Req = 2·5,88 = 11,76 V
VA = VB·2,182/22,18 = 1,157 V
VR2″ = VA − VB = 1,157 − 11,76 = −10,6 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·22,18/30,18 = 17,64 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 17,64·2,182/22,18 = 1,735 V
VR2‴ = VA − VB = 1,735 − 17,64 = −15,9 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 7,229 + (−10,6) + (−15,9) = −19,28 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,12 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 5 = 8,333 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) = 6·4/(20+4) = 1 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 = 1/8,333 = 0,12 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = −0,4 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 = 30·30/(30+30) = 15 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 15 + 15 = 30 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) = 18 + (−1)·15 = 3 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3 + (−1)·15 = −12 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 = −12/30 = −0,4 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 22 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 = (2 − 1)·22 = 22 kΩ
Ответ
Rf = 22 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,9043 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.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = −0,5/2 = −0,25 mA
I2 = V2/R2 = 1,6/4,7 = 0,3404 mA
If = I1 + I2 = 0,09043 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·0,09043 = −0,9043 V
Ответ
Vout = −0,9043 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,308 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.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
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.