Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
V1 = 6 VR1 = 10 ΩV2 = 15 VR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 9 VR = 68 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 16 V? Найдите t.
Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 12 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 21,75 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
Req = R1 + 1,75 = 20 + 1,75 = 21,75 Ω
Ответ
Req = 21,75 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,483 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 3,864 Ω
R3 + 3,864 = 9,864 Ω
R2 ∥ 9,864 = 7,423 Ω
Req = R1 + 7,423 = 5 + 7,423 = 12,42 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/12,42 = 0,483 A
Ответ
IR1 = 0,483 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I3 = −0,5333 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 − 6)/10 + (VA − 15)/15 + VA/12 = 0
Находим VA
VA = (6/10 + 15/15 + 0/12) / (1/10 + 1/15 + 1/12) = 1,6/0,25 = 6,4 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,4)/12 = −0,5333 A
Ответ
I3 = −0,5333 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,2369 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 = 6 V, V2 = 15 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/25 = 0
0,1733·VA − 0,04·VB = 0,6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/8 + (VB − VA)/25 + (VB − 15)/30 = (−0,5)
−0,04·VA + 0,1983·VB = 0
Решите
Δ = (0,1733)(0,1983) − (−0,04)(−0,04) = 0,03278
VA = Δ1/Δ = 0,119/0,03278 = 3,631 V
VB = Δ2/Δ = 0,024/0,03278 = 0,7322 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 3,631)/10 = 0,2369 A
5.Метод контурных токов
Ответ: VR3 = 16,1 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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 30
14·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
20·I2 + 8(I2 − I1) = (−10)
−8·I1 + 28·I2 = −10
Решите
Δ = (14)(28) − (−8)(−8) = 328
I1 = Δ1/Δ = 760/328 = 2,317 A
I2 = Δ2/Δ = 100/328 = 0,3049 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 2,012 A
VR3 = IR3·R3 = 2,012·8 = 16,1 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,3866 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
25·I1 + 8(I1 − I2) = 12
33·I1 − 8·I2 = 12
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 + 8(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 16·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
25·I3 + 3(I3 − I2) = (−15)
−3·I2 + 28·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 12695
I1 = Δ1/Δ = 4908/12695 = 0,3866 A
I2 = Δ2/Δ = 1203/12695 = 0,09476 A
I3 = Δ3/Δ = −6672/12695 = −0,5256 A
Ответ
I1 = 0,3866 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = −1,622 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 = 3+2 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VA = 18·2,222/(6+2,222) = 4,865 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,865·2/5 = 1,946 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 4,865 = −4,865 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 5,4 = 1,459 Ω
VB = Is·Req = (−5)·1,459 = −7,297 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −7,297·2,4/5,4 = −3,243 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − −3,243 = 3,243 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−4,865) + 3,243 = −1,622 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = −1,155 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 2 ∥ 20 = 1,818 Ω
VA = 15·1,818/(15+1,818) = 1,622 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,622·15/20 = 1,216 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,216 − 0)/15 = 0,08108 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 = 1,765 Ω, поэтому левый путь — R2+1,765 = 6,765 Ω
Req = R4 ∥ 6,765 = 4,662 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·4,662 = −11,66 V
VA = VB·1,765/6,765 = −3,041 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−11,66 − 0)/15 = −0,777 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·6,765/21,76 = 3,108 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,108·1,765/6,765 = 0,8108 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3,108 − 10)/15 = −0,4595 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,08108 + (−0,777) + (−0,4595) = −1,155 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,989 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 5 = 6,765 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) = 30·15/(2+15) = 26,47 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) = 26,47/(6,765 + 20) = 0,989 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,6579 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 20 = 23,43 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 + 1·3,429 = 8,571 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,571 + 1·20 = 28,57 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) = 28,57/(23,43 + 20) = 0,6579 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 14,1 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 = (4 − 1)·4,7 = 14,1 kΩ
Ответ
Rf = 14,1 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 1,491 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 = 1,4/22 = 0,06364 mA
I2 = V2/R2 = −1/4,7 = −0,2128 mA
If = I1 + I2 = −0,1491 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·(−0,1491) = 1,491 V
Ответ
Vout = 1,491 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 0,01002 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 = 10 mH / 68 Ω = 0,1471 ms
i(∞) = Vs/R = 9/68 = 0,1324 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 = 9·e−1/0,1471 = 0,01002 V
Ответ
vL = 0,01002 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 75,48 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
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.