Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.
i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vR = V
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 = 400 ms.
Vs = 9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µFt = 400 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,4906 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 = 6 + 20 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 6·26/(6+26) = 4,875 Ω
Req = R1 + 4,875 = 15 + 4,875 = 19,88 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/19,88 = 0,6038 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,6038·15 = 2,943 V
IR2 = VA/R2 = 2,943/6 = 0,4906 A
Ответ
IR2 = 0,4906 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,1424 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 = 25 + 8 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 1,886 Ω
R3 + 1,886 = 9,886 Ω
R2 ∥ 9,886 = 6,616 Ω
Req = R1 + 6,616 = 5 + 6,616 = 11,62 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/11,62 = 0,4305 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,4305·5 = 2,848 V
IR2 = VA/R2 = 2,848/20 = 0,1424 A
Ответ
IR2 = 0,1424 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I3 = −1,125 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 − 18)/6 + (VA − 9)/12 + (VA − 6)/4 = 0
Находим VA
VA = (18/6 + 9/12 + 6/4) / (1/6 + 1/12 + 1/4) = 5,25/0,5 = 10,5 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I3 = (6 − VA)/R3 = (6 − 10,5)/4 = −1,125 A
Ответ
I3 = −1,125 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = −0,3226 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.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = −30 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/25 + (VA − 6)/25 + (VA − VB)/8 = 0
0,205·VA − 0,125·VB = 0,24
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/30 + (VB − VA)/8 + (VB − (−30))/15 = 5
−0,125·VA + 0,225·VB = 3
Решите
Δ = (0,205)(0,225) − (−0,125)(−0,125) = 0,0305
VA = Δ1/Δ = 0,429/0,0305 = 14,07 V
VB = Δ2/Δ = 0,645/0,0305 = 21,15 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 14,07)/25 = −0,3226 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 1,145 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
20·I1 + 2(I1 − I2) = 9
22·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 2(I2 − I1) = (−12)
−2·I1 + 14·I2 = −12
Решите
Δ = (22)(14) − (−2)(−2) = 304
I1 = Δ1/Δ = 102/304 = 0,3355 A
I2 = Δ2/Δ = −246/304 = −0,8092 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 1,145 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR4 = 4,32 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, 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
20·I1 + 15(I1 − I2) = 12
35·I1 − 15·I2 = 12
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
20·I2 + 15(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 41·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
25·I3 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 31·I3 = −10
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 36250
I1 = Δ1/Δ = 13920/36250 = 0,384 A
I2 = Δ2/Δ = 3480/36250 = 0,096 A
I3 = Δ3/Δ = −11020/36250 = −0,304 A
Ответ
IR4 = I1 − I2 = 0,288 A
VR4 = IR4·R4 = 0,288·15 = 4,32 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 0,7857 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.
R3+R4 = 20+20 = 40 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·40/(3+40) = 2,791 Ω
VA = 9·2,791/(6+2,791) = 2,857 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,857·20/40 = 1,429 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 2,857)/6 = 1,024 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 22 = 10,48 Ω
VB = Is·Req = 1,5·10,48 = 15,71 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,71·2/22 = 1,429 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,429)/6 = −0,2381 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,024 + (−0,2381) = 0,7857 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = 14,21 V
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 ∥ 32 = 8,727 Ω
VA = 12·8,727/(12+8,727) = 5,053 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,053·20/32 = 3,158 V
VR3′ = VA − 0 = 5,053 − 0 = 5,053 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 = 6 Ω, поэтому левый путь — R2+6 = 18 Ω
Req = R4 ∥ 18 = 9,474 Ω
VB = Is·Req = 2·9,474 = 18,95 V
VA = VB·6/18 = 6,316 V
VR3″ = VA − 0 = 6,316 − 0 = 6,316 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·18/38 = 8,526 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,526·6/18 = 2,842 V
VR3‴ = VA − 0 = 2,842 − 0 = 2,842 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 5,053 + 6,316 + 2,842 = 14,21 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,4545 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 20 = 22,4 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) = 15·12/(3+12) = 12 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) = 12/(22,4 + 4) = 0,4545 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 69,75 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 12 = 19,5 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) = 11,25 + 3·7,5 = 33,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,75 + 3·12 = 69,75 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 7,906 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 = 1,7/100 = 0,017 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/22 = 0,03182 mA
If = I1 + I2 = 0,04882 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −100·0,04882 = −4,882 V
Ответ
Vout = −4,882 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 45,96 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
τ = L/R = 68 mH / 100 Ω = 0,68 ms
Убывание тока
i(t) = 2·e−1/0,68 = 0,4596 A
vR = R·i = 100·0,4596 = 45,96 V
Ответ
vR = 45,96 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 1,921 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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.