Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт VA − VB = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 15 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,349 A? Найдите t.
Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 5 ΩL = 100 mH
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 6,958 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 5·19/(5+19) = 3,958 Ω
Req = R1 + 3,958 = 3 + 3,958 = 6,958 Ω
Ответ
Req = 6,958 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8,357 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 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 1,84 Ω
R3 + 1,84 = 6,84 Ω
R2 ∥ 6,84 = 4,357 Ω
Req = R1 + 4,357 = 4 + 4,357 = 8,357 Ω
Ответ
Req = 8,357 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 113,3 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/8 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/12 = 0
0,5417·VA − 0,08333·VB = 10
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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 = 28,33·4 = 113,3 W
Ответ
PIs = 113,3 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Ix = −2 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 − 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 30)/15 + VA/30 + (VA − 8)/8 = 6
VA·(1/15 + 1/30 + 1/8) = 6 + 30/15 + 8/8 = 9
VA = 9/0,225 = 40 V
VB = 32 V
Ток через источник напряжения
ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.
IR1 = (30 − 40)/15 = −0,6667 A
Ix = IR1 − VA/R2 = −0,6667 − 40/30 = −2 A
Ответ
Ix = −2 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 3,651 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 + 2(I1 − I2) = 18
5·I1 − 2·I2 = 18
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 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 22·I2 = −9
Решите
Δ = (5)(22) − (−2)(−2) = 106
I1 = Δ1/Δ = 378/106 = 3,566 A
I2 = Δ2/Δ = −9/106 = −0,08491 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 3,651 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,352 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 + 4(I1 − I2) = 30
19·I1 − 4·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
5·I2 + 4(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 17·I2 − 8·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
3·I3 + 8(I3 − I2) = (−24)
−8·I2 + 11·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2161
I1 = Δ1/Δ = 2922/2161 = 1,352 A
I2 = Δ2/Δ = −2328/2161 = −1,077 A
I3 = Δ3/Δ = −6408/2161 = −2,965 A
Ответ
I1 = 1,352 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR3 = 0,4367 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.
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = 0,5255 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) = 12 ∥ 45 = 9,474 Ω
VA = 18·9,474/(5+9,474) = 11,78 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,78·20/45 = 5,236 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (5,236 − 0)/20 = 0,2618 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 = 3,529 Ω, поэтому левый путь — R2+3,529 = 28,53 Ω
Req = R4 ∥ 28,53 = 11,76 Ω
VB = Is·Req = 1,5·11,76 = 17,64 V
VA = VB·3,529/28,53 = 2,182 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (17,64 − 0)/20 = 0,8818 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·28,53/48,53 = 17,64 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 17,64·3,529/28,53 = 2,182 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (17,64 − 30)/20 = −0,6182 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,2618 + 0,8818 + (−0,6182) = 0,5255 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 2,25 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 2 = 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) = 30·15/(10+15) = 18 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 = 18/8 = 2,25 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 6 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 8 = 9,818 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) = 1,091 + 0,5·1,818 = 2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2 + 0,5·8 = 6 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 6,364 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 = −1,4/10 = −0,14 mA
I2 = V2/R2 = −1,5/2 = −0,75 mA
If = I1 + I2 = −0,89 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −1·(−0,89) = 0,89 V
Ответ
Vout = 0,89 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 0,1011 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.
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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0,3 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−1/0,2 = 0,1011 V
Ответ
vL = 0,1011 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 0,9609 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
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.