Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 7,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.
Vs = 20 VR = 10 ΩL = 100 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 11,2 V? Найдите t.
Vs = 12 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,2449 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 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 2 + 8,889 = 10,89 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/10,89 = 0,551 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,551·2 = 4,898 V
IR2 = VA/R2 = 4,898/20 = 0,2449 A
Ответ
IR2 = 0,2449 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 10,41 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 = 12 + 10 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 7,765 Ω
R3 + 7,765 = 13,76 Ω
R2 ∥ 13,76 = 6,411 Ω
Req = R1 + 6,411 = 4 + 6,411 = 10,41 Ω
Ответ
Req = 10,41 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 12,35 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.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 V). Неизвестные: VA, VB.
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/6 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 2,5
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)/8 = 4
−0,125·VA + 0,325·VB = 4
Решите
Δ = (0,375)(0,325) − (−0,125)(−0,125) = 0,1063
VA = Δ1/Δ = 1,313/0,1063 = 12,35 V
VB = Δ2/Δ = 1,813/0,1063 = 17,06 V
Ответ
VA = 12,35 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 3,875 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
(7,5 − 9)/2 + 7,5/3 = (VB − 7,5)/3
1,75 = (VB − 7,5)/3 → VB = 12,75 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (12,75 − 7,5)/3 + 12,75/6 = 3,875 A
Ответ
Is = 3,875 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,5882 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 24
18·I1 − 3·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
6·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 9·I2 = −9
Решите
Δ = (18)(9) − (−3)(−3) = 153
I1 = Δ1/Δ = 189/153 = 1,235 A
I2 = Δ2/Δ = −90/153 = −0,5882 A
Ответ
I2 = −0,5882 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 4,452 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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 9
14·I1 − 8·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
6·I2 + 8(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 17·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
2·I3 + 3(I3 − I2) = (−24)
−3·I2 + 5·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 744
I1 = Δ1/Δ = 108/744 = 0,1452 A
I2 = Δ2/Δ = −648/744 = −0,871 A
I3 = Δ3/Δ = −3960/744 = −5,323 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 4,452 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 0,2667 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 ∥ 32 = 10,21 Ω
VA = 18·10,21/(5+10,21) = 12,08 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 12,08·30/32 = 11,33 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 12,08 = −12,08 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 = 3,75 Ω, поэтому левый путь — R2+3,75 = 5,75 Ω
Req = R4 ∥ 5,75 = 4,825 Ω
VB = Is·Req = (−5)·4,825 = −24,13 V
VA = VB·3,75/5,75 = −15,73 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − −15,73 = 15,73 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·5,75/35,75 = −1,448 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −1,448·3,75/5,75 = −0,9441 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − −0,9441 = 0,9441 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−12,08) + 15,73 + 0,9441 = 4,594 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 10,29 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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 2 = 3,714 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) = 12·12/(2+12) = 10,29 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = −5,956 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 15 = 19,29 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) = 0,8571 + (−6)·4,286 = −24,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −24,86 + (−6)·15 = −114,9 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = −114,9/19,29 = −5,956 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 2,25 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 входе +
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4,5·2/(10 + 2) = 0,75 V
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,75·(1 + 2/1) = 2,25 V
Ответ
Vout = 2,25 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,016 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 = 0,2/4,7 = 0,04255 mA
I2 = V2/R2 = 1,3/22 = 0,05909 mA
If = I1 + I2 = 0,1016 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·0,1016 = −1,016 V
Ответ
Vout = −1,016 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W(∞) = 200 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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A
Запасённая энергия
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·100·2² = 200 mJ
Ответ
W(∞) = 200 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 160,9 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.