Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 11,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.
Vs = 20 VR = 15 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 1 ms.
Vs = 24 VR1 = 33 ΩR2 = 22 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 15,35 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 12·19/(12+19) = 7,355 Ω
Req = R1 + 7,355 = 8 + 7,355 = 15,35 Ω
Ответ
Req = 15,35 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,1178 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 3,407 Ω
R3 + 3,407 = 5,407 Ω
R2 ∥ 5,407 = 4,257 Ω
Req = R1 + 4,257 = 12 + 4,257 = 16,26 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/16,26 = 0,5536 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,5536·12 = 2,357 V
IR2 = VA/R2 = 2,357/20 = 0,1178 A
Ответ
IR2 = 0,1178 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR3 = 1,831 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 = 30 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/20 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,5083·VA − 0,125·VB = 10
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/8 = 1,5
−0,125·VA + 0,625·VB = 1,5
Решите
Δ = (0,5083)(0,625) − (−0,125)(−0,125) = 0,3021
VA = Δ1/Δ = 6,438/0,3021 = 21,31 V
VB = Δ2/Δ = 2,013/0,3021 = 6,662 V
Ответ
IR3 = (VA − VB)/R3 = (21,31 − 6,662)/8 = 1,831 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 3,378 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
(11,5 − 9)/6 + 11,5/10 = (VB − 11,5)/10
1,567 = (VB − 11,5)/10 → VB = 27,17 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (27,17 − 11,5)/10 + 27,17/15 = 3,378 A
Ответ
Is = 3,378 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,4167 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
8·I1 + 20(I1 − I2) = 15
28·I1 − 20·I2 = 15
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
2·I2 + 20(I2 − I1) = (−12)
−20·I1 + 22·I2 = −12
Решите
Δ = (28)(22) − (−20)(−20) = 216
I1 = Δ1/Δ = 90/216 = 0,4167 A
I2 = Δ2/Δ = −36/216 = −0,1667 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,4167 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 0,714 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 36
8·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
5·I2 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 35·I2 − 25·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 + 25(I3 − I2) = (−18)
−25·I2 + 29·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2395
I1 = Δ1/Δ = 11790/2395 = 4,923 A
I2 = Δ2/Δ = 1620/2395 = 0,6764 A
I3 = Δ3/Δ = −90/2395 = −0,03758 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 0,714 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 0,2857 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 = 5+10 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
VA = 12·3,158/(2+3,158) = 7,347 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,347·10/15 = 4,898 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 7,347)/2 = 2,327 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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 6,333 = 3,878 Ω
VB = Is·Req = 5·3,878 = 19,39 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 19,39·1,333/6,333 = 4,082 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4,082)/2 = −2,041 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 2,327 + (−2,041) = 0,2857 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = 25,41 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) = 5 ∥ 21 = 4,038 Ω
VA = 6·4,038/(4+4,038) = 3,014 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,014·6/21 = 0,8612 V
VR2′ = VA − VB = 3,014 − 0,8612 = 2,153 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 = 2,222 Ω, поэтому левый путь — R2+2,222 = 17,22 Ω
Req = R4 ∥ 17,22 = 4,45 Ω
VB = Is·Req = (−2)·4,45 = −8,9 V
VA = VB·2,222/17,22 = −1,148 V
VR2″ = VA − VB = −1,148 − −8,9 = 7,751 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·17,22/23,22 = −17,8 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −17,8·2,222/17,22 = −2,297 V
VR2‴ = VA − VB = −2,297 − −17,8 = 15,5 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 2,153 + 7,751 + 15,5 = 25,41 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,9574 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 3 = 6,75 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) = 18·10/(6+10) = 11,25 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) = 11,25/(6,75 + 5) = 0,9574 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,164 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 + 3 = 4,714 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) = 0,7143 + 2·1,714 = 4,143 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,143 + 2·3 = 10,14 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) = 10,14/(4,714 + 4) = 1,164 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: V− = 0,2091 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.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = −0,5/4,7 = −0,1064 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/100 = −0,006 mA
If = I1 + I2 = −0,1124 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·(−0,1124) = 1,124 V
Ответ
Vout = 1,124 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W(∞) = 60,44 mJ
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 = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A
Запасённая энергия
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·1,333² = 60,44 mJ
Ответ
W(∞) = 60,44 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,4913 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 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.