Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I2 в ветви 2, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,1·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 8 V и Is = 6 mA I = 9,5 mA; при Vs = 4 V и Is = 5 mA I = 5,25 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 10 V и Is = 5 mA.
8 V, 6 mA → 9,5 mA4 V, 5 mA → 5,25 mAVs = 10 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 24 VR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 50 ms.
Vs = 12 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 33 µFt = 50 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 4,4 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Req = R1 + 2,4 = 2 + 2,4 = 4,4 Ω
Ответ
Req = 4,4 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,123 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 3,864 Ω
R3 + 3,864 = 23,86 Ω
R2 ∥ 23,86 = 7,047 Ω
Req = R1 + 7,047 = 25 + 7,047 = 32,05 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/32,05 = 1,123 A
Ответ
IR1 = 1,123 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I2 = 0,8 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
Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.
(VA − 10)/15 + (VA − 24)/5 + (VA − 18)/15 = 0
Находим VA
VA = (10/15 + 24/5 + 18/15) / (1/15 + 1/5 + 1/15) = 6,667/0,3333 = 20 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I2 = (24 − VA)/R2 = (24 − 20)/5 = 0,8 A
Ответ
I2 = 0,8 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 10,45 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.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,5333·VA − 0,1·VB = 3,6
ЗТК в узле B
Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,1·VA
−0,2·VA + 0,1667·VB = 0
Решите
Δ = (0,5333)(0,1667) − (−0,1)(−0,2) = 0,06889
VA = Δ1/Δ = 0,6/0,06889 = 8,71 V
VB = Δ2/Δ = 0,72/0,06889 = 10,45 V
Ответ
VB = 10,45 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR3 = 8,542 V
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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 18
14·I1 − 8·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
5·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 13·I2 = −6
Решите
Δ = (14)(13) − (−8)(−8) = 118
I1 = Δ1/Δ = 186/118 = 1,576 A
I2 = Δ2/Δ = 60/118 = 0,5085 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 1,068 A
VR3 = IR3·R3 = 1,068·8 = 8,542 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,069 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 + 15(I1 − I2) = 15
21·I1 − 15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 15(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 27·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 16·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4716
I1 = Δ1/Δ = 5040/4716 = 1,069 A
I2 = Δ2/Δ = 2340/4716 = 0,4962 A
I3 = Δ3/Δ = −2070/4716 = −0,4389 A
Ответ
I1 = 1,069 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 11,25 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
8·k₁ + 6·k₂ = 9,5
4·k₁ + 5·k₂ = 5,25
Находим константы
Δ = (8)(5) − (6)(4) = 16
k₁ = Δ1/Δ = 16/16 = 1
k₂ = Δ2/Δ = 4/16 = 0,25
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,25
Предсказываем новый ток
I = 1·10 + 0,25·5 = 11,25 mA
Ответ
I = 11,25 mA
8.Метод наложения
Ответ: IR2 = 1,621 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.
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 6,429 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 6 = 7,429 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) = 9·5/(2+5) = 6,429 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,4806 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 6 = 7,875 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) = 2,25 + 0,5·1,875 = 3,188 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,188 + 0,5·6 = 6,188 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) = 6,188/(7,875 + 5) = 0,4806 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,5 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 1,5 V
I = V₋/R1 = 1,5/1 = 1,5 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,5 + 1,5·2 = 4,5 V
Ответ
Vout = 4,5 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,5328 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 = 1,6/10 = 0,16 mA
I2 = V2/R2 = 0,5/4,7 = 0,1064 mA
If = I1 + I2 = 0,2664 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −2·0,2664 = −0,5328 V
Ответ
Vout = −0,5328 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,7165 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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.