Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.
V1 = 10 VIs = 3 AVs = 4 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).
V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 2 ms.
Vs = 9 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 500 ms.
Vs = 6 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 Vt = 500 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,5628 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 = 8 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 12·13/(12+13) = 6,24 Ω
Req = R1 + 6,24 = 3 + 6,24 = 9,24 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/9,24 = 1,082 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,082·3 = 6,753 V
IR2 = VA/R2 = 6,753/12 = 0,5628 A
Ответ
IR2 = 0,5628 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 11,85 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.
R5 + R6 = 15 + 3 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 1,8 Ω
R3 + 1,8 = 21,8 Ω
R2 ∥ 21,8 = 5,852 Ω
Req = R1 + 5,852 = 6 + 5,852 = 11,85 Ω
Ответ
Req = 11,85 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 84,44 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/10 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0,3667·VA − 0,1·VB = 1,667
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/10 = 3
−0,1·VA + 0,15·VB = 3
Решите
Δ = (0,3667)(0,15) − (−0,1)(−0,1) = 0,045
VA = Δ1/Δ = 0,55/0,045 = 12,22 V
VB = Δ2/Δ = 1,267/0,045 = 28,15 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 = 28,15·3 = 84,44 W
Ответ
PIs = 84,44 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,6667 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.
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 + 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 10)/6 + VA/3 + (VA + 4)/6 = 3
VA·(1/6 + 1/3 + 1/6) = 3 + 10/6 − 4/6 = 4
VA = 4/0,6667 = 6 V
VB = 10 V
Ток через R₁
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 6)/6 = 0,6667 A
Ответ
IR1 = 0,6667 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,85 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 + 5(I1 − I2) = 15
13·I1 − 5·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
20·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 25·I2 = −24
Решите
Δ = (13)(25) − (−5)(−5) = 300
I1 = Δ1/Δ = 255/300 = 0,85 A
I2 = Δ2/Δ = −237/300 = −0,79 A
Ответ
I1 = 0,85 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −0,5427 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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 9
17·I1 − 2·I2 = 9
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
8·I2 + 2(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−2·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
10·I3 + 25(I3 − I2) = (−10)
−25·I2 + 35·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10060
I1 = Δ1/Δ = 4900/10060 = 0,4871 A
I2 = Δ2/Δ = −3620/10060 = −0,3598 A
I3 = Δ3/Δ = −5460/10060 = −0,5427 A
Ответ
I3 = −0,5427 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 3,6 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.
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) = 15 ∥ 27 = 9,643 Ω
VA = 30·9,643/(8+9,643) = 16,4 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 16,4·25/27 = 15,18 V
VR2′ = VB − VA = 15,18 − 16,4 = −1,215 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 = 5,217 Ω, поэтому левый путь — R2+5,217 = 7,217 Ω
Req = R4 ∥ 7,217 = 5,601 Ω
VB = Is·Req = (−3)·5,601 = −16,8 V
VA = VB·5,217/7,217 = −12,15 V
VR2″ = VB − VA = −16,8 − −12,15 = −4,656 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·7,217/32,22 = 2,24 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,24·5,217/7,217 = 1,619 V
VR2‴ = VB − VA = 2,24 − 1,619 = 0,6208 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−1,215) + (−4,656) + 0,6208 = −5,25 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 6 = 7,6 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) = 24·2/(8+2) = 4,8 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 31,83 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 25 = 31,67 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) = 16 + 0,5·6,667 = 19,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,33 + 0,5·25 = 31,83 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 3,92 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.
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 = −0,1/1 = −0,1 mA
I2 = V2/R2 = 1,1/100 = 0,011 mA
If = I1 + I2 = −0,089 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −100·(−0,089) = 8,9 V
Ответ
Vout = 8,9 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,06628 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.