
- •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. Т4.50
4.55. Найдите ток цепи, рассмотренной в предыдущей задаче, преобразуя сигнальный граф контурных уравнений в конечный.
4.56р. Определите ток цепи, рассмотренной в задаче 4.54р, используя граф уравнений для токов ветвей и формулу Мейсона. Параметры элементов цепи:
R |
1 |
= |
R |
2 |
= 200 Ом; |
R |
3 |
= R |
4 |
= 500 Ом; = 1 В; = 2 B; |
; |
S |
= 0,1 См. |
|
|
|
|
4.57. Определите ток |
цепи рис. Т4.51, применив: а) сигнальный граф урав |
нений, составленных по методу контурных токов; б) сигнальный граф уравнений,
составленных по |
|
методу |
узловых напряжений. |
Параметры |
элементов цепи: |
||||||||||||||||
R |
1 |
= |
R |
2 = 10 кОм; |
R |
3 = 0,2 кОм; |
R |
4 |
= 0,5 кОм; |
R |
5 |
= 1 кОм; |
R |
6 |
= 4 кОм; |
С |
= 5 мкФ; |
||||
|
|
= 10 мкА; |
; β = 50; |
ω |
= 103 |
рад/с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. Т4.51
Решения и методические указания
4.41м. Преобразуем систему уравнений к причинно следственной форме, раз решив каждое уравнение относительно одной из переменных, различных для каж дого уравнения:
393

; |
|
|
|
; |
; |
. |
. |
(1) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
; |
; |
(2) |
Первой системе уравнений соответствует граф, изображенный на рис. Т4.44, второй — на рис. Т4.47.
Преобразования уравнений могут осуществляться различными способами. На пример, первую систему уравнений можно представить в таком виде
1 |
; |
1 |
; |
. |
Разным по форме системам уравнений соответствуют различные сигнальные гра фы, но все они соответствуют одной исходной системе уравнений.
Рис. Т4.52
4.43р. Исключаем промежуточный узел z (рис. Т4.52, а), объединяем параллель ные ветви и петли (рис. Т4.52, 6), устраняем петлю (рис. Т4.52, в). Передача конечно го графа w/x = A(B + CF)/(1 – E – CD).
4.44р. Инвертируя ветвь с передачей С, получаем граф, приведенный на рис. Т4.53, а. Инвертируя ветвь с передачей В преобразованного графа, получаем граф, показанный на рис. Т4.53, б, который непосредственно преобразовывается в конеч ный (рис. Т4.53, в).
Рис. Т4.53
394

4.46м. Одним из путей решения задачи является последовательное инвертиро вание ветвей А, С, F, К (рис. Т4.54), исключение промежуточных узлов и определение передачи от узла х5 к узлу х0
|
4.48р. |
|
|
|
Рис. Т4.54 |
|
х |
0 |
к узлу |
|
х |
4 |
с передачами |
P |
1 |
= |
AF |
||||||||||||
P |
BG P |
Данный граф имеет три пути от истока |
|
|
|
|
|
, |
|||||||||||||||||||||
2 = |
, 3 = |
CEG |
и два несоприкасающихсяi контураi j |
с передачами |
L |
1 = |
D L |
2 |
= |
EGH |
. Оп |
||||||||||||||||||
|
|
, |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
ределитель сигнального графа |
= 1 |
– |
Σ L +Σ L L |
= 1 – |
L |
1 – |
L |
2 + |
L |
1 |
L |
2 |
= 1 – |
D |
– |
EGH |
+ |
||||||||||||
DEGH |
|
|
|
|
|
1 |
= 1, так как его касаются оба кон |
||||||||||||||||||||||
|
. Алгебраическое дополнение первого пути |
||||||||||||||||||||||||||||
тура. Алгебраические дополнения второго и третьего путей |
|
2 = |
3 = 1 – |
L |
1 |
= 1 – |
D |
||||||||||||||||||||||
|
|
, |
так как эти пути касаются только второго контура. Согласно общей формуле пере дача графа
1 |
∆ |
1 |
∆ |
1 |
4.54р. Уравнения электрического равновесия данной цепи, полученные мето дом токов ветвей, имеют вид
0;
0;
0;
;
,
где |
– ток источника тока, эквивалентного заданному. |
Приведем данную систему уравнений к причинно следственной форме:
;
;
;
395

Сигналь ный граф содержит пять узлов, соответствующих неизвестным токам
, , , , и два узла, соответствующие источникам ЭДС |
а |
(рис. Т4.55, ). |
Рис. Т4.55
Узловые уравнен ия цепи, приведенные к причинно следственной форме, и ме ют такой вид:
Сигналь ный граф узловых уравнений цепи со держит два узла, соответствую щих источникам ЭДС, и два узла, соответст вующих неизвестным узлов ым напря же ниям (рис. Т4.55, б).
Контурные уравнения цепи после замены источника тока, управляемого на пря жением, источнико м напряжения, управляемым током, и приведени я к прич ин но следственн ой форме принимают следующий вид:
где
396

Сигнальный граф контурных уравнений цепи содержит два узла, соответст вующих неизвестным контурным токам, и, как и в предыдущих случаях, два узла, со ответствующих источникам ЭДС (рис. Т4.55, в).
4.56р. Используя принцип наложения и формулу Мейсона, запишем выражение
для искомого тока |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
где первое слагаемое соответствует току |
|||||||||||||||||||
|
|
|
= 0. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
при = 0, а второе – при |
|
|
|
|
|
а |
) имеет четыре контура с передачами |
L |
1 = – |
|||||||||||||||||||||||||
R |
RГраф токов ветвей |
(рис. Т4.55, |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
1/ |
4; |
L |
2 = – |
R |
2/ |
R |
4; |
L |
3 = |
S R |
R |
1/ |
R |
4; |
L |
4 = – |
R |
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2/ 3, причем толькоLпервый и четвертый |
|||||||||||||||||||||||
контуры не соприкасаются. Определитель графа = 1 – 1 – |
L |
L |
3 –R |
L |
4 + |
L |
L |
4. От |
||||||||||||||||||||||||||
Р2 – |
|
|
1 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
истока |
|
|
к узлу |
|
графа проходит только один путь с передачей |
|
1 = 1/ |
4. Этот путь |
||||||||||||||||||||||||||
касается всех контуров: |
|
1 = 1. Oт истока |
к узлу проходит также один путь с пе |
|||||||||||||||||||||||||||||||
редачей |
Р |
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
1. Подставив выра |
|||||||||||
|
2= – 1/ |
3, который не касается одного контура: 2 = 1 – |
|
жения для путей, алгебраических дополнений путей и определителя в исходное ра венство, получим
1
0,638·10 A.
1
397