- •Аннотация
- •Оглавление
- •Дорогие читатели!
- •Предисловие
- •Введение
- •Книга 1. Основные понятия теории цепей
- •Модуль 1.1. Основные определения
- •Электрическая цепь
- •Электрический ток
- •Напряжение
- •Электродвижущая сила
- •Мощность и энергия
- •Схема электрической цепи
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 1.2. Идеализированные пассивные элементы
- •Резистивный элемент
- •Емкостный элемент
- •Индуктивный элемент
- •Дуальные элементы и цепи
- •Схемы замещения реальных элементов электрических цепей
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Модуль 1.3. Идеализированные активные элементы
- •Идеальный источник напряжения
- •Идеальный источник тока
- •Схемы замещения реальных источников
- •Управляемые источники тока и напряжения
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 1.4. Топология цепей
- •Схемы электрических цепей. Основные определения
- •Понятие о компонентных и топологических уравнениях. Законы Кирхгофа
- •Графы схем электрических цепей
- •Определение числа независимых узлов и контуров
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 1.5. Уравнения электрического равновесия цепей
- •Основные задачи теории цепей
- •Понятие об уравнениях электрического равновесия
- •Классификация электрических цепей
- •Вопросы для самопроверки
- •Ответы
- •Модуль 2.1. Анализ линейных цепей с источниками гармонических токов и напряжений
- •Понятие о гармонических функциях
- •Линейные операции над гармоническими функциями
- •Среднее, средневыпрямленное и действующее значения гармонических токов и напряжений
- •Дифференциальное уравнение цепи при гармоническом воздействии
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 2.2. Метод комплексных амплитуд
- •Понятие о символических методах
- •Комплексные числа и основные операции над ними
- •Операции над комплексными изображениями гармонических функций
- •Комплексные сопротивление и проводимость пассивного участка цепи
- •Порядок анализа цепи методом комплексных амплитуд
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 2.3. Идеализированные пассивные элементы при гармоническом воздействии
- •Резистивный элемент
- •Емкостный элемент
- •Индуктивный элемент
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Делители напряжения и тока
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Мгновенная мощность пассивного двухполюсник
- •Активная, реактивная, полная и комплексная мощности
- •Баланс мощностей
- •Коэффициент мощности
- •Согласование источника энергии с нагрузкой
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 2.6. Преобразования электрических цепей
- •Понятие об эквивалентных преобразованиях
- •Участки цепей с последовательным соединением элементов
- •Участки цепей с параллельным соединением элементов
- •Участки цепей со смешанным соединением элементов
- •Эквивалентное преобразование треугольника сопротивлений в звезду и обратное преобразование
- •Комплексные схемы замещения источников энергии
- •Перенос источников
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 2.7. Цепи с взаимной индуктивностью
- •Понятие о взаимной индуктивности
- •Понятие об одноименных зажимах
- •Коэффициент связи между индуктивными катушками
- •Цепи с взаимной индуктивностью при гармоническом воздействии
- •Понятие о линейных трансформаторах
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Ответы
- •Книга 3. Частотные характеристики и резонансные явления
- •Понятие о комплексных частотных характеристиках
- •Комплексные частотные характеристики цепей с одним реактивным элементом
- •Понятие о резонансе в электрических цепях
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 3.2. Последовательный колебательный контур
- •Cхемы замещения и параметры элементов контура
- •Энергетические процессы в последовательном колебательном контуре
- •Входные характеристики
- •Передаточные характеристики
- •Избирательные свойства последовательного колебательного контура
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 3.3. Параллельный колебательный контур
- •Схемы замещения
- •Параллельный колебательный контур основного вида
- •Параллельный колебательный контур с разделенной индуктивностью
- •Параллельный колебательный контур с разделенной емкостью
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 3.4. Связанные колебательные контуры
- •Общие сведения
- •Схемы замещения
- •Настройка связанных контуров
- •Частотные характеристики
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Ответы
- •Общие сведения
- •Методы, основанные на непосредственном применении законов Кирхгофа
- •Метод контурных токов
- •Метод узловых напряжений
- •Формирование уравнений электрического равновесия цепей с зависимыми источниками
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 4.2. Основные теоремы теории цепей
- •Принцип наложения
- •Теорема взаимности
- •Теорема компенсации
- •Автономные и неавтономные двухполюсники
- •Теорема об эквивалентном источнике
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 4.3. Метод сигнальных графов
- •Общие сведения
- •Преобразования сигнальных графов
- •Применение сигнальных графов к анализу цепей
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Ответы
- •Книга 5. Нелинейные резистивные цепи
- •Модуль 5.1. Постановка задачи анализа нелинейных резистивных цепей
- •Вводные замечания
- •Нелинейные резистивные элементы
- •Уравнения электрического равновесия нелинейных резистивных цепей
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 5.2. Графические методы анализа нелинейных резистивных цепей
- •Простейшие преобразования нелинейных резистивных цепей
- •Определение рабочих точек нелинейных резистивных элементов
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Задача аппроксимации
- •Выбор аппроксимирующей функции
- •Определение коэффициентов аппроксимирующей функции
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Нелинейное сопротивление при гармоническом воздействии
- •Понятие о режимах малого и большого сигнала
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Ответы
- •Книга 6. Методы анализа переходных процессов в линейных цепях с сосредоточенными параметрами
- •Модуль 6.1. Задача анализа переходных процессов
- •Возникновение переходных процессов. Понятие о коммутации
- •Законы коммутации
- •Общий подход к анализу переходных процессов
- •Определение порядка сложности цепи
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 6.2. Классический метод анализа переходных процессов
- •Свободные и вынужденные составляющие токов и напряжений
- •Порядок анализа переходных процессов классическим методом
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 6.3. Операторный метод анализа переходных процессов
- •Преобразование Лапласа и его применение к решению дифференциальных уравнений
- •Порядок анализа переходных процессов операторным методом
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 6.4. Операторные характеристики линейных цепей
- •Реакция цепи на экспоненциальное воздействие
- •Понятие об операторных характеристиках
- •Методы определения операторных характеристик
- •Дифференцирующие и интегрирующие цепи
- •Вопросы для самопроверки
- •Единичные функции и их свойства
- •Переходная и импульсная характеристики линейных цепей
- •Методы определения временных характеристик
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Определение реакции цепи на произвольное внешнее воздействие
- •Определение реакции цепи на произвольное внешнее воздействие по ее переходной характеристике
- •Определение реакции цепи на произвольное внешнее воздействие по ее импульсной характеристике
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Ответы
- •Книга 7. Основы теории четырехполюсников и многополюсников
- •Модуль 7.1. Многополюсники и цепи с многополюсными элементами
- •Задача анализа цепей с многополюсными элементами
- •Классификация и схемы включения многополюсников
- •Основные уравнения и первичные параметры линейных неавтономных многополюсников
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Классификация проходных четырехполюсников
- •Основные уравнения и первичные параметры неавтономных проходных четырехполюсников
- •Методы определения первичных параметров неавтономных проходных четырехполюсников
- •Первичные параметры составных четырехполюсников
- •Схемы замещения неавтономных проходных четырехполюсников
- •Автономные проходные четырехполюсники
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Характеристические постоянные передачи неавтономного проходного четырехполюсника
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Модуль 7.4. Невзаимные проходные четырехполюсники
- •Идеальные усилители напряжения и тока
- •Однонаправленные цепи и цепи с обратной связью
- •Идеальные операционные усилители
- •Преобразователи сопротивления
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Модуль 7.5. Электрические фильтры
- •Классификация электрических фильтров
- •Реактивные фильтры
- •Активные фильтры
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Ответы
- •Книга 8. Цепи с распределенными параметрами
- •Модуль 8.1. Задача анализа цепей с распределенными параметрами
- •Общие сведения
- •Общее решение дифференциальных уравнений длинной линии
- •Вопросы для самопроверки
- •Волновые процессы в однородной длинной линии
- •Режим стоячих волн
- •Режим смешанных волн
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Проходной четырехполюсник с распределенными параметрами
- •Входное сопротивление отрезка однородной длинной линии
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Распределение напряжения и тока в однородной линии без потерь при произвольном внешнем воздействии
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Модуль 8.5. Цепи с распределенными параметрами специальных типов
- •Резистивные линии
- •Неоднородные линии
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Ответы
- •Книга 9. Синтез электрических цепей
- •Модуль 9.1. Задача синтеза линейных электрических цепей
- •Понятие физической реализуемости
- •Основные этапы синтеза цепей
- •Вопросы для самопроверки
- •Понятие о положительных вещественных функциях
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 9.3. Методы реализации реактивных двухполюсников
- •Методы выделения простейших составляющих (метод Фостера)
- •Метод разложения в цепную дробь (метод Кауэра)
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 9.4. Основы синтеза линейных пассивных четырехполюсников
- •Задача синтеза четырехполюсников
- •Методы реализации пассивных четырехполюсников
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Ответы
- •Книга 10. Методы автоматизированного анализа цепей
- •Модуль 10.1. Задача автоматизированного анализа цепей
- •Понятие о ручных и машинных методах анализа цепей
- •Общие представления о программах машинного анализа цепей
- •Вопросы для самопроверки
- •Топологические матрицы и топологические уравнения
- •Свойства топологических матриц
- •Компонентные матрицы и компонентные уравнения
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Методы узловых напряжений и контурных токов
- •Метод переменных состояния
- •Формирование уравнений состояния в матричной форме
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи
- •Решения и методические указания
- •Модуль 10.4. Особенности современных программ автоматизированного анализа цепей
- •Выбор методов формирования уравнений электрического равновесия. Понятие о поколениях программ автоматизированного анализа цепей
- •Вопросы для самопроверки
- •Ответы
- •Заключение
- •Приложения
- •Приложение 1. Таблица оригиналов и изображений по Лапласу
- •Приложение 2. Основные уравнения проходных четырёхполюсников
- •Приложение 3. Соотношения между первичными параметрами проходных четырехполюсников
- •Приложение 5. Соотношения между первичными параметрами взаимных и симметричных четырехполюсников
- •Приложение 6. Приставки для образования кратных и дольных единиц
- •Приложение 7. Инструкция для работы с Самоучителем по курсу «Основы теории цепей»
- •Список литературы
Рис. 7.29. К примеру 7.22
В связи с тем, что параллельное соединение «разорванного» четырехполюсника с любыми четырехполюсниками является регулярным, Y параметры составного четырехпо люсника находятся суммированием матриц Y параметров четырехполюсников А и Б:
A |
1⁄ |
зи |
зс ; |
1⁄ |
зс |
си . |
Б |
зс; |
|
зс |
Схемы замещения неавтономных проходных четырехполюсников
Ранее было установлено, что соотношения между токами и напряжениями на зажимах любого линейного неавтономного проходного четырехполюсника незави симо от числа входящих в него элементов и способа их соединения могут быть опи саны системой из двух уравнений, содержащих в общем случае не более четырех не зависимых коэффициентов. Такой системе уравнений всегда можно поставить в со ответствие идеализированную электрическую цепь, содержащую не более четырех элементов, параметры которых могут быть выражены через независимые коэффи циенты основной системы уравнений четырехполюсника (условное графическое изображение этой цепи называется эквивалентной схемой или схемой замещения четырехполюсника).
Таким образом, каждому линейному неавтономному проходному четы рехполюснику может быть поставлена в соответствие эквивалентная схема, со держащая не более четырех элементов.
Для каждого четырехполюсника можно построить несколько эквивалентных схем, имеющих различную топологию и отличающихся как типом изображенных на них элементов, так и значениями их параметров. Выбор той или иной эквивалент ной схемы определяется удобством ее применения в рамках решаемой задачи и, в частности, простотой нахождения параметров ее элементов по заданным выраже ниям для первичных параметров четырехполюсника. Широкое распространение на практике получили Т образная (см. рис. 7.19, а) и П образная (см. рис. 7.20) схемы замещения, получившие название канонических схем замещения линейного неав тономного четырехполюсника. Параметры элементов Т образной схемы замещения связаны с Z параметрами четырехполюсника соотношениями
626
; |
; |
7.58 |
; |
, |
а параметры элементов П образной схемы замещения можно найти пo известным значениям Y параметров
; |
; |
7.59 |
; |
|
с помощью соотношений, полученных в примерах 7.18 и 7.19.
Первичные параметры взаимного четырехполюсника связаны между собой со отношениями (7.39), (7.40), поэтому коэффициенты управления управляемых ис точников напряжения (см. рис. 7.19, а) и тока (см. рис. 7.20) в этом случае будут рав ны нулю (Z4 = 0, Y4 = 0). Вследствие этого канонические схемы замещения взаимных четырехполюсников (см. рис. 7.14, б, в) не содержат управляемых источников тока или напряжения.
Параметры элементов эквивалентных схем симметричных четырехполюсни ков, кроме того, связаны соотношениями
;
.
Т и П образные схемы, изображенные на рис. 7.14, б, в, представляют собой ка нонические схемы замещения взаимных неуравновешенных четырехполюсников. Для взаимных уравновешенных четырехполюсников используют эквивалентные схемы, приведенные на рис. 7.14, г, д. Параметры элементов этих эквивалентных схем также рассчитываются по формулам (7.58) и (7.59), а выражения для первич ных параметров уравновешенных четырехполюсников совпадают соответственно с выражениями для первичных параметров неуравновешенных четырехполюсников. При решении ряда конкретных задач может оказаться удобным применить эквива лентные схемы четырехполюсника, изображенные на рис. 7.30, а — г, параметры элементов которых определяются через Y , Z , Н и G параметры четырехполюсника соответственно.
В теории цепей широко применяют (особенно при решении задач синтеза) мостовую схему замещения симметричного четырехполюсника (см. рис. 7.18, а). Па раметры элементов этой эквивалентной схемы весьма просто выражаются через Z
параметры четырехполюсника (см. пример 7.14): |
— |
; |
. |
Следует иметь в виду, что комплексным схемам замещения четырехполюсни ков (см. рис. 7.14, б — д, 7.19, а, 7.20 и 7.30) не всегда можно поставить в соответст
627
Рис. 7.30. Схемы замещения проходных четырехполюсников
вие идеализированную электрическую цепь, состоящую из элементов с положи тельными вещественными параметрами (с подобной ситуацией сталкивались при знакомстве с эквивалентными преобразованиями цепей со связанными индуктив ностями). Несмотря на это, применение таких эквивалентных схем значительно об легчает изучение процессов в электрических цепях.
Автономные проходные четырехполюсники
Рассмотрим произвольный линейный автономный проходной четырехполюс ник АЧ, схема и параметры элементов которого известны. Заменим внешние по от ношению к четырехполюснику ветви источниками напряжения А, А (рис. 7.31, а). Используя метод контурных токов, найдем токи входных и выходных
Рис. 7.31. К определению П образной схемы замещения автономного проходного четырех полюсника
628
зажимов четырехполюсника. Если система независимых контуров цепи выбрана та
ким |
1образом, что ветвь, содержащая источник напряжения |
|
, входит только в кон |
||||||||
тур , а ветвь, включающая источник напряжения |
, только в контур |
2 |
, то иско |
||||||||
мые токи будут равны контурным токам первого и второго контуров: |
|
|
|||||||||
|
|
А |
∆ |
⁄∆ |
∆ |
⁄∆ |
к; |
|
|
|
7.60 |
где |
|
А |
∆ |
⁄∆ |
∆ |
⁄∆ |
к, |
|
|
|
|
к |
∆ |
⁄∆ |
∆ |
|
⁄∆ |
∆ |
⁄∆; |
|
|
||
|
|
|
|
||||||||
|
к |
∆ |
⁄∆ |
∆ |
|
|
⁄∆ |
∆ |
⁄∆ |
|
|
— составляющие контурных токов первого и второго контуров, вызванные дейст вием независимых источников, находящихся внутри четырехполюсника АЧ.
Как следует из уравнений (7.60), при одновременном закорачивании источни ков и токи А и А будут равны соответственно к и к. Следовательно, к и к являются токами короткого замыкания внешних выводов автономного четырехпо люсника (напомним, что токи короткого замыкания неавтономного четырехполюс
ника равны нулю). Входящие в уравнения (7.60) коэффициенты |
/Δ, |
/Δ, |
/Δ, |
|
и /Δ в соответствии с выражениями (7.37) представляют собой |
Y |
параметры не |
||
|
автономного четырехполюсника, который получается из исходного автономного при выключении всех входящих в него независимых источников. Переходя в (7.60)
от ЭДС , к напряжениям А, |
А и используя выражения (7.37), получаем сис |
||||
тему основных уравнений автономного четырехполюсника в форме |
Y |
: |
|||
А |
А |
А |
к; |
|
|
А |
А |
А |
к. |
|
|
Введем токи, равные разности токов выводов автономного четырехполюсника и соответствующих токов короткого замыкания:
А |
к |
А |
А |
А |
к |
А |
А |
; |
7.61 |
. |
Система уравнений (7.61) по форме совпадает с системой основных уравнений неавтономного четырехполюсника, полученного из автономного четырехполюсника путем выключения всех входящих в него независимых источников и замены А и А на и . С учетом этой системы четырехполюснику АЧ можно поставить в со ответствие эквивалентную схему, содержащую неавтономный четырехполюсник
НЧ, характеризующийся параметрами |
Y |
11, |
Y |
12, |
Y |
21, |
Y |
22, и два независимых источника |
||
тока к |
к и к |
к (рис. 7.31, б). Заменяя четырехполюсник НЧ канонической П |
629
образной схемой замещения, получаем полную эквивалентную схему автономного четырехполюсника, содержащую в общем случае шесть элементов (рис. 7.31, в).
Рис. 7.32. К определению Т образной схемы замещения автономного проходного четырех полюсника
Если внешние по отношению к автономному четырехполюсник ветви заменить источниками тока А и А (рис. 7.32, а), то, анализируя полученную цепь с помощью метода узловых напряжений, можно определить основные уравнения ав тономного четырехполюсника в форме Z:
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
А |
А |
х; |
7.62 |
где |
Z |
11, |
Z |
12, |
Z |
21, |
Z |
А |
А |
А |
х, |
|
|
|
|
|
22 — первичные параметры НЧ, образованного из АЧ путем выклю |
||||||||
чения всех независимых источников; |
х и |
х — напряжения холостого хода на |
входных и выходных зажимах автономного четырехполюсника. В соответствии с уравнениями (7.62) АЧ можно поставить в соответствие схему замещения, состоя щую из НЧ и независимых источников напряжения х х, х х (рис. 7.32, б). Представляя неавтономный четырехполюсник Т образной канонической схемой за мещения, получаем полную эквивалентную схему автономного четырехполюсника
(рис. 7.32, в).
В общем случае автономный проходной четырехполюсник характеризует ся шестью независимыми параметрами, из которых четыре представляют со бой первичные параметры неавтономного четырехполюсника, получающегося из данного автономного путем выключения всех независимых источников, а два параметра являются либо напряжениями холостого хода, либо токами ко роткого замыкания, измеряемыми при одновременном размыкании или одно временном закорачивании внешних по отношению к автономному четырехпо люснику ветвей.
630