Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.
V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
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 напряжение vL на катушке в момент t = 10 ms.
Vs = 6 VR = 20 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,2 V, ровно через 20 ms после старта. При C = 22 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 20 msC = 22 µF
R = kΩ
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 16 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 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 12 + 4 = 16 Ω
Ответ
Req = 16 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 2,519 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 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 13,21 Ω
R3 + 13,21 = 23,21 Ω
R2 ∥ 23,21 = 2,657 Ω
Req = R1 + 2,657 = 10 + 2,657 = 12,66 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/12,66 = 2,844 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 2,844·10 = 7,556 V
IR2 = VA/R2 = 7,556/3 = 2,519 A
Ответ
IR2 = 2,519 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 7,831 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/5 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/6 = 0
0,4917·VA − 0,1667·VB = 0,75
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 = 7,831·1 = 7,831 W
Ответ
PIs = 7,831 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 2,091 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
0,675·VA − 0,05·VB = 6
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 + 0,55·VB = 0
Решите
Δ = (0,675)(0,55) − (−0,05)(−0,25) = 0,3588
VA = Δ1/Δ = 3,3/0,3588 = 9,199 V
VB = Δ2/Δ = 1,5/0,3588 = 4,181 V
Ток через R₄
IR4 = VB/R4 = 4,181/2 = 2,091 A
Ответ
IR4 = 2,091 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,09375 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
6·I1 + 20(I1 − I2) = 6
26·I1 − 20·I2 = 6
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
20·I2 + 20(I2 − I1) = (−9)
−20·I1 + 40·I2 = −9
Решите
Δ = (26)(40) − (−20)(−20) = 640
I1 = Δ1/Δ = 60/640 = 0,09375 A
I2 = Δ2/Δ = −114/640 = −0,1781 A
Ответ
I1 = 0,09375 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 2,031 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, 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
2·I1 + 15(I1 − I2) = 15
17·I1 − 15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 15(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 32·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
25·I3 + 15(I3 − I2) = (−30)
−15·I2 + 40·I3 = −30
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8935
I1 = Δ1/Δ = 9075/8935 = 1,016 A
I2 = Δ2/Δ = 1350/8935 = 0,1511 A
I3 = Δ3/Δ = −6195/8935 = −0,6933 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,016 A
VR1 = IR1·R1 = 1,016·2 = 2,031 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = −0,4492 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 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·26/(2+26) = 1,857 Ω
VA = 9·1,857/(15+1,857) = 0,9915 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 0,9915·20/26 = 0,7627 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (0,9915 − 9)/15 = −0,5339 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 7,765 = 5,593 Ω
VB = Is·Req = 1·5,593 = 5,593 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,593·1,765/7,765 = 1,271 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (1,271 − 0)/15 = 0,08475 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−0,5339) + 0,08475 = −0,4492 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: PR4 = 15,31 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 2 ∥ 25 = 1,852 Ω
VA = 10·1,852/(2+1,852) = 4,808 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,808·5/25 = 0,9615 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,9615 − 0)/5 = 0,1923 A
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 Ω, поэтому левый путь — R2+1 = 21 Ω
Req = R4 ∥ 21 = 4,038 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,038 = 6,058 V
VA = VB·1/21 = 0,2885 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (6,058 − 0)/5 = 1,212 A
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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·21/26 = −7,269 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,269·1/21 = −0,3462 V
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = 1,75²·5 = 15,31 W
Ответ
PR4 = 15,31 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 8,123 W, что неверно.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 4,8 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 12 = 14,4 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) = 6·12/(3+12) = 4,8 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 10,03 W
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 + 10 = 14,29 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) = 17,14 + 0,5·4,286 = 19,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,29 + 0,5·10 = 24,29 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) = 24,29/(14,29 + 20) = 0,7083 A
PL = IL²·RL = 0,7083²·20 = 10,03 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,57 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₊ = −0,1 V
I = V₋/R1 = −0,1/1 = −0,1 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,1 + (−0,1)·4,7 = −0,57 V
Ответ
Vout = −0,57 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 7,755 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 = −0,7/1 = −0,7 mA
I2 = V2/R2 = −1,9/2 = −0,95 mA
If = I1 + I2 = −1,65 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −4,7·(−1,65) = 7,755 V
Ответ
Vout = 7,755 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 1,582 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 / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 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 = 6·e−10/7,5 = 1,582 V
Ответ
vL = 1,582 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 0,9921 kΩ
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.