Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 20,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 9 VR = 100 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
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 21,6 V? Найдите t.
Vs = 24 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,8195 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 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 2·23/(2+23) = 1,84 Ω
Req = R1 + 1,84 = 15 + 1,84 = 16,84 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/16,84 = 0,8907 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,8907·15 = 1,639 V
IR2 = VA/R2 = 1,639/2 = 0,8195 A
Ответ
IR2 = 0,8195 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,2533 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 14,67 Ω
R3 + 14,67 = 20,67 Ω
R2 ∥ 20,67 = 8,692 Ω
Req = R1 + 8,692 = 15 + 8,692 = 23,69 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/23,69 = 0,2533 A
Ответ
IR1 = 0,2533 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 37,67 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/3 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,6333·VA − 0,1·VB = 3,6
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)/10 = 3
−0,1·VA + 0,3·VB = 3
Решите
Δ = (0,6333)(0,3) − (−0,1)(−0,1) = 0,18
VA = Δ1/Δ = 1,38/0,18 = 7,667 V
VB = Δ2/Δ = 2,26/0,18 = 12,56 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 = 12,56·3 = 37,67 W
Ответ
PIs = 37,67 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 5,468 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
(20,5 − 18)/4 + 20,5/10 = (VB − 20,5)/8
2,675 = (VB − 20,5)/8 → VB = 41,9 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (41,9 − 20,5)/8 + 41,9/15 = 5,468 A
Ответ
Is = 5,468 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = 0,8654 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
3·I1 + 12(I1 − I2) = 30
15·I1 − 12·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 + 12(I2 − I1) = (−15)
−12·I1 + 20·I2 = −15
Решите
Δ = (15)(20) − (−12)(−12) = 156
I1 = Δ1/Δ = 420/156 = 2,692 A
I2 = Δ2/Δ = 135/156 = 0,8654 A
Ответ
I2 = 0,8654 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 0,05766 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
2·I1 + 5(I1 − I2) = 24
7·I1 − 5·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
15·I2 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 35·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
30·I3 + 15(I3 − I2) = (−6)
−15·I2 + 45·I3 = −6
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8325
I1 = Δ1/Δ = 31950/8325 = 3,838 A
I2 = Δ2/Δ = 4770/8325 = 0,573 A
I3 = Δ3/Δ = 480/8325 = 0,05766 A
Ответ
IR3 = I3 = 0,05766 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR2 = 21,94 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 = 5+20 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
VA = 10·3,448/(2+3,448) = 6,329 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,329·20/25 = 5,063 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (6,329 − 0)/4 = 1,582 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) = 20 ∥ 6,333 = 4,81 Ω
VB = Is·Req = 3·4,81 = 14,43 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14,43·1,333/6,333 = 3,038 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,038 − 0)/4 = 0,7595 A
Складываем вклады токов
IR2 = IR2′ + IR2″ = 1,582 + 0,7595 = 2,342 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 = 2,342²·4 = 21,94 W
Ответ
PR2 = 21,94 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 12,32 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = 1,433 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) = 8 ∥ 21 = 5,793 Ω
VA = 10·5,793/(25+5,793) = 1,881 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,881·15/21 = 1,344 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,344 − 0)/15 = 0,08959 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 = 6,061 Ω, поэтому левый путь — R2+6,061 = 12,06 Ω
Req = R4 ∥ 12,06 = 6,685 Ω
VB = Is·Req = 6·6,685 = 40,11 V
VA = VB·6,061/12,06 = 20,16 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (40,11 − 0)/15 = 2,674 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 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·12,06/27,06 = 16,04 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,04·6,061/12,06 = 8,063 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (16,04 − 36)/15 = −1,33 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,08959 + 2,674 + (−1,33) = 1,433 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,6067 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 5 = 9,8 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) = 18·12/(8+12) = 10,8 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) = 10,8/(9,8 + 8) = 0,6067 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 2,951 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 12 = 18,32 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) = 3,158 + 6·6,316 = 41,05 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 41,05 + 6·12 = 113,1 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) = 113,1/(18,32 + 20) = 2,951 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 38 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 = (20 − 1)·2 = 38 kΩ
Ответ
Rf = 38 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = −0,384 mA
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 = −1,5/10 = −0,15 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/4,7 = −0,234 mA
If = I1 + I2 = −0,384 mA
Ответ
If = −0,384 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,09 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
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.