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).
Is = 5 AVs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 4 Ω
VA = V
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 энергию W, запасённую в катушке при t = 2 ms, в mJ.
Vs = 15 VR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 300 ms.
Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µFt = 300 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,4545 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Req = R1 + 4,8 = 15 + 4,8 = 19,8 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/19,8 = 0,4545 A
Ответ
IR1 = 0,4545 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,0791 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 = 6 + 25 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 12,16 Ω
R3 + 12,16 = 16,16 Ω
R2 ∥ 16,16 = 7,778 Ω
Req = R1 + 7,778 = 25 + 7,778 = 32,78 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/32,78 = 0,1525 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,1525·25 = 1,187 V
IR2 = VA/R2 = 1,187/15 = 0,0791 A
Ответ
IR2 = 0,0791 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 10 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 + Vs = VA + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/10 + (VA + 6)/4 = 5
VA = (5 − 6/4)/(1/10 + 1/4) = 10 V
VB = 10 + 6 = 16 V
Ответ
VA = 10 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,1357 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 = 10 V, V2 = −10 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/12 + (VA − 10)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,2583·VA − 0,125·VB = 0,5
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/3 + (VB − VA)/8 + (VB − (−10))/25 = 5
−0,125·VA + 0,4983·VB = 4,6
Решите
Δ = (0,2583)(0,4983) − (−0,125)(−0,125) = 0,1131
VA = Δ1/Δ = 0,8242/0,1131 = 7,286 V
VB = Δ2/Δ = 1,251/0,1131 = 11,06 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 7,286)/20 = 0,1357 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,6316 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
2·I1 + 6(I1 − I2) = 24
8·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 6(I2 − I1) = (−24)
−6·I1 + 14·I2 = −24
Решите
Δ = (8)(14) − (−6)(−6) = 76
I1 = Δ1/Δ = 192/76 = 2,526 A
I2 = Δ2/Δ = −48/76 = −0,6316 A
Ответ
I2 = −0,6316 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 1,059 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
12·I1 + 30(I1 − I2) = 24
42·I1 − 30·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
5·I2 + 30(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 40·I2 − 5·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
20·I3 + 5(I3 − I2) = (−9)
−5·I2 + 25·I3 = −9
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 18450
I1 = Δ1/Δ = 22050/18450 = 1,195 A
I2 = Δ2/Δ = 16110/18450 = 0,8732 A
I3 = Δ3/Δ = −3420/18450 = −0,1854 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 1,059 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 1,667 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 = 3+12 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
VA = 30·4,286/(3+4,286) = 17,65 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 17,65·12/15 = 14,12 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (17,65 − 14,12)/3 = 1,176 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.
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 ∥ 24 = 6 Ω
VA = 5·6/(30+6) = 0,8333 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,8333·20/24 = 0,6944 V
VR2′ = VA − VB = 0,8333 − 0,6944 = 0,1389 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 = 6,316 Ω, поэтому левый путь — R2+6,316 = 10,32 Ω
Req = R4 ∥ 10,32 = 6,806 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,806 = 10,21 V
VA = VB·6,316/10,32 = 6,25 V
VR2″ = VA − VB = 6,25 − 10,21 = −3,958 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·10,32/30,32 = 10,21 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,21·6,316/10,32 = 6,25 V
VR2‴ = VA − VB = 6,25 − 10,21 = −3,958 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,1389 + (−3,958) + (−3,958) = −7,778 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 3,333 Ω
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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 2 = 3,333 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 14,88 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 3 = 7,615 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) = 3,462 + 1,5·4,615 = 10,38 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,38 + 1,5·3 = 14,88 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,84 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 = −1,8/1 = −1,8 mA
I2 = V2/R2 = −1,3/47 = −0,02766 mA
If = I1 + I2 = −1,828 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −2·(−1,828) = 3,655 V
Ответ
Vout = 3,655 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 4,58 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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,75·(1 − e−2/1,65) = 0,5268 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·33·0,5268² = 4,58 mJ
Ответ
W = 4,58 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 5,741 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.
Начальное напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.