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 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 10 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).
Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 15 V и Is = 3 mA I = 20,25 mA; при Vs = 10 V и Is = 10 mA I = 7,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 8 V и Is = 5 mA.
15 V, 3 mA → 20,25 mA10 V, 10 mA → 7,5 mAVs = 8 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.
Vs = 9 VR1 = 6,8 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 50 ms.
Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 Vt = 50 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8,917 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 5·7/(5+7) = 2,917 Ω
Req = R1 + 2,917 = 6 + 2,917 = 8,917 Ω
Ответ
Req = 8,917 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 4,718 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 5,077 Ω
R3 + 5,077 = 25,08 Ω
R2 ∥ 25,08 = 2,679 Ω
Req = R1 + 2,679 = 3 + 2,679 = 5,679 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/5,679 = 5,282 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 5,282·3 = 14,15 V
IR2 = VA/R2 = 14,15/3 = 4,718 A
Ответ
IR2 = 4,718 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 12,86 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 + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/4 + (VA + 5)/10 = 5
VA = (5 − 5/10)/(1/4 + 1/10) = 12,86 V
VB = 12,86 + 5 = 17,86 V
Ответ
VA = 12,86 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 0,9693 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 = 36 V, V2 = −12 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/6 + (VA − 36)/25 + (VA − VB)/3 = 0
0,54·VA − 0,3333·VB = 1,44
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)/3 + (VB − (−12))/3 = 1,5
−0,3333·VA + 0,7917·VB = −2,5
Решите
Δ = (0,54)(0,7917) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3164
VA = Δ1/Δ = 0,3067/0,3164 = 0,9693 V
VB = Δ2/Δ = −0,87/0,3164 = −2,75 V
Ответ
VA = 0,9693 V
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,6522 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 15
16·I1 − 4·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 + 4(I2 − I1) = (−30)
−4·I1 + 24·I2 = −30
Решите
Δ = (16)(24) − (−4)(−4) = 368
I1 = Δ1/Δ = 240/368 = 0,6522 A
I2 = Δ2/Δ = −420/368 = −1,141 A
Ответ
I1 = 0,6522 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 2,059 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 30
16·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 8(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 36·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
10·I3 + 3(I3 − I2) = (−15)
−3·I2 + 13·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6512
I1 = Δ1/Δ = 13410/6512 = 2,059 A
I2 = Δ2/Δ = 2400/6512 = 0,3686 A
I3 = Δ3/Δ = −6960/6512 = −1,069 A
Ответ
I1 = 2,059 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 8,25 mA
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.
Записываем отклик как сумму вкладов
Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.
I = k₁·Vs + k₂·Is
15·k₁ + 3·k₂ = 20,25
10·k₁ + 10·k₂ = 7,5
Находим константы
Δ = (15)(10) − (3)(10) = 120
k₁ = Δ1/Δ = 180/120 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −90/120 = −0,75
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,75
Предсказываем новый ток
I = 1,5·8 + (−0,75)·5 = 8,25 mA
Ответ
I = 8,25 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = −2,014 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 ∥ 14 = 5,091 Ω
VA = 30·5,091/(8+5,091) = 11,67 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,67·6/14 = 5 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 11,67)/8 = −1,458 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 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 12 Ω
Req = R4 ∥ 12 = 4 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4 = 10 V
VA = VB·4/12 = 3,333 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 3,333)/8 = −0,4167 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·12/18 = 3,333 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,333·4/12 = 1,111 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 1,111)/8 = −0,1389 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−1,458) + (−0,4167) + (−0,1389) = −2,014 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 6 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 42,92 W
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 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 25 = 29,17 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 + 4·4,167 = 21,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,67 + 4·25 = 121,7 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) = 121,7/(29,17 + 3) = 3,782 A
PL = IL²·RL = 3,782²·3 = 42,92 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 2,34 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 = −0,9/4,7 = −0,1915 mA
I2 = V2/R2 = −0,9/1 = −0,9 mA
If = I1 + I2 = −1,091 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −1·(−1,091) = 1,091 V
Ответ
Vout = 1,091 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: τ = 59,28 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 6,8·1/(6,8 + 1) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 9·1/(6,8 + 1) = 1,154 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 0,8718·68 = 59,28 ms
Ответ
τ = 59,28 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 3,493 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 значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.