电路原理(邱关源)习题答案第四章 电路定理练习.docx
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1、第四章电路定理电路定理是电路理论的重要组成部分,为我们求解电路问 题提供了另一种分析方法,这些方法具有比较灵活,变换形式多样,目的性 强的特点。因此相对来说比第三章中的方程式法较难掌握一些,但应 用正确,将使一些看似复杂的问题的求解过程变得非常简单。应用定 理分析电路问题必须做到理解其内容,注意使用的范围、条件,熟练 掌握使用的方法和步骤。需要指出,在很多问题中定理和方程法往往 又是结合使用的。4-1 应用叠加定理求图示电路中电压 u ab。解: 首先画出两个电源单独作用式的分电路入题解 4-1 图( a) 和( b) 所示。对( a) 图应用结点电压法可得115sin t(1 +)u=32
2、+ 1n11u= 5sin t = 3sin tVn15解得3u11u(1) =n1 1 =u= 3sin t = sin tVab2 +13 n13对( b) 图, 应用电阻的分流公式有e-t11111 35i =+ =e-tA32+11u(2)所以ab= 1 i =e-t = 0.2e-tV5故由叠加定理得u= u(1) + u(2)ababab= sin t + 0.2e-tV4-2 应用叠加定理求图示电路中电压 u 。解: 画出电源分别作用的分电路如题解( a) 和( b) 所示。对( a) 图应用结点电压法有( 1+ 1+ 1 )u= 136+ 508 + 24010n18 + 21
3、0u(1) = u=解得n113.6 + 5 0.1+ 0.025 + 0.1= 18.60.225= 248 = 82.667V3对( b) 图, 应用电阻串并联化简方法, 可求得u = 32 (8 + 10 40 )10 + 40 = 3 32= 16Vsi(8 + 10 40 ) + 2 10 + 40-u1618183u(2) =si = -= -V2323所以, 由叠加定理得原电路的 u 为u = u(1) + u(2) =248 - 8 = 80V334-3 应用叠加定理求图示电路中电压 u 2。解: 根据叠加定理, 作出 2 V 电压源和 3 A 电流源单独作用时的分电路如题解图
4、( a) 和( b )。受控源 均保留在分电路中。( a) 图中i(1) =12 = 0.5A4所以根据 KVL 有由( b) 图, 得u(1) = -3 2i(1) + 2 = -3 2 0.5 + 2 = -1 V21i ( 2) = 01u(2)2= 3 3 = 9V故原电路中的电压u = u (1) + u (2)222= 8V4-4 应用叠加定理求图示电路中电压 U 。解:按 叠加定理,作 出 5 V 和 10 V 电压源单独作用时的分电路如题解 4-4 图( a) 和( b) 所示, 受控电压源均保留在分电路中。应用电源等效变换把图(a)等效为图(c ),图(b )等效为图(d )
5、。由图( c ), 得2U (1) - 52U (1) - 5U (1) =1 =1 + 2 + 211从中解得33U (1)= -3 VU (2) =2U (2) + 202U (2) + 203 1 =32 + 2 +111由图( d) 得33从中解得20U (2) =3= 4V11 -13故原电路的电压U = U (1) + U (2)= -3 + 4 = 1 V注:叠加定理仅适用于线性电路求解电压和电流响应,而不能用来计算功率。 这是因为线性电路中的电压和电流都与激励( 独立源) 呈线性关系, 而功率与激励不再是线性关系。 题 4-1 至题 4-4 的求解过程告诉我们:应用叠加定理求解
6、电路的基本思想是“ 化整为零 ”, 即将多个独立源作用的较复杂的电路分解为一个一个( 或一组一组)独立源作用的较简单的电路, 在分电路中分别计算所求量, 最后代数和相加求出结果。 需要特别注意:( 1 ) 当一个独立源作用时, 其它独立源都应等于零, 即独立电压源短路, 独立电流源开路( 2 ) 最后电压、 电流是代数量的叠加, 若分电路计算的响应与原电路这一响应的参考方向一致取正号, 反之取负号。( 3 ) 电路中的受控源不要单独作用, 应保留在各分电路中, 受控源的数值随每一分电路中控制量数值的变化而变化。( 4 ) 叠加的方式是任意的, 可以一次使一个独立源作用, 也可以一次让多个独立源
7、同时作用( 如 4 2 解 ), 方式的选择以有利于简化分析计算。学习应用叠加定理, 还应认识到, 叠加定理的重要性不仅在于可用叠加法分析电路本身, 而且在于它为线性电路的定性分析和一些具体计算方法提供了理论依据。uoss4 5 试求图示梯形电路中各支路电流, 结点电压和 u10V 。o 其中 u 解:由齐性定理可知,当电路中只有一个独立源时,其任意支路的响应与该独立源成正比。用齐性定理分析本题的梯形电路特别有效。现设支路电流如图所示, 若给定则可计算出各支路电压电流分别为i = i55= 1Au = uoou= u= i 20 = 1 20 = 20V5= i (4 + 20) = 1 24
8、 = 24Vn 2i = in 2= u5/12 = 24 /12 = 2A44n 2i = i = i + i = 2 +1 = 3A3345u= u = i 5 + u= 3 5 + 24 = 39Vn1n13n 2i = i = i + i = 1+ 3 = 4A1123u = u = i 4 + u= 4 4 + 39 = 55 Vss1n1ss即 当 激 励 u = u = 55V 时 , 各 电 压 、 电 流 如 以 上 计算 数 值 , 现 给 定10K = 10 = 2ssu = 10 V , 相当于将以上激励 u 缩小了 55 倍, 即55112故电路各支路的电流和结点电压
9、应同时缩小 11 倍, 有i = Ki =1128 4 = 0.727A111122i = Ki22=1 =A111126i = Ki = 3 =A33i = Ki44111124= 2 =A1111i = Ki =221 =A55u= Ku1111278= 39 =Vn1n11111248u= Ku = 24 =Vn 2u = Kun 21111240= 20 =Voo111140ou = 11 = 4 = 0.364s输出电压和激励的比值为u1011注:本 题的计算采用“倒退法 ”,即先 从梯形电路最远离电源的一端开始,对电压或电流设一便于计算的值, 倒退算至激励处, 最后再按齐性定理予以
10、修正。s1s1s 2abs1s 2s1abs1s1s 2ab4 6 图示电路中,当电流源 i 和电压源 u 反向时( u 不变),电 压 u 是原来的 0.5 倍;当 i 和 u 反向时( u 不变),电 压 u 是原来的 0.3倍。问: 仅 i 反向( u , u 均不变), 电压 u 应为原来的几倍?解: 根据叠加定理, 设响应u= K i+ K u+ K uab1 s12 s13 s 2123式中 K , K , K 为未知的比例常数, 将已知条件代入上式, 得0.5uab= -K i1 s1- K u2 s1+ K u3 s 20.3u= -K i+ K u- K uab1 s12 s
11、13 s 2xu= -K i+ K u+ K uab1 s12 s13 s 2将式 , , 相加, 得1.8u= -K i+ K u+ K uab1 s12 s13 s 2显然 式等号右边的式子恰等于式 等号右边的式子。因 此得所求倍数。x = 1.8注:本题实际给出了应用叠加定理研究一个线性电路激励与响应关系的实验方法。s 2s14 7 图示电路中 U = 10 V , U = 15 V , 当开关 S 在位置 1 时, 毫安表的读数为 I = 40 mA ; 当开关 S 合向位置 2 时, 毫安表的读数为 I = -60 mA 。如果把开关 S 合向位置 3 , 毫安表的读数为多少?解:
12、设流过电流表的电流为 I, 根据叠加定理I = K I1 s+ K U2 ss当开关 S 在位置 1 时, 相当于 U = 0 , 当开关 S 在位置 2 时, 相当于,U = Uss1ss 2当开关 S 在位置 3 时, 相当于 U = -U , 把上述条件代入以上方程式中, 可得关系式40 = K I1 s- 60 = K I1 s+ K U2s1= 40 + K210从中解出K = - 100 = -10210所以当S在位置3时,有I = K I1 s+ K (U2s 2) = 40 + (-10) (-15) = 190mA4 8 求图示电路的戴维宁和诺顿等效电路。oc解: 求开路电压
13、 uuo 设oc参考方向如图所示, 由 KVL 列方程(2 + 4)I + 3 + 2(I -1) = 0I = - 1 A解得8u= 4 I = 4 (- 1) = -0.5Voc8求等效内阻 Req 。将 原图中电压源短路,电 流源开路,电 路变为 题 解4 8 ( a ) 图 , 应 用 电 阻 串 并 联 等 效 , 求 得Req =(2+2)/4=2W画出戴维宁等效电路如图( b) 所示, 应用电源等效变换得诺顿等效电路如图( c) 所示。I= uoc = - 0.5 = -0.25A其中scR2eqocococ注意画等效电路时不要将开路电压 u 的极性画错, 本题设 a 端为 u
14、的“ ” 极性端, 求得的 u 为负值, 故( b) 图中的 b 端为开路电压的实际“ ” 极性端。4 9 求图示电路的戴维宁等效电路。解: 本题电路为梯形电路, 根据齐性定理, 应用“ 倒退法” 求开oc路电压 uu= u o 设ococ10= 10 V , 各支路电流如图示, 计算得i = i55= 1 A10u= un 2n 2= (2 +10) 1 = 12 Vu12i = i =44n 2 = 2.4 A55i = i = i + i = 2.4 +1 = 3.4 A3345u= un1n1= 7 i + u3n2= 7 3.4 +12 = 35.8 Vi = iu35.8=n15.
15、967 A2266i = i + i = 5.967 + 3.4 = 9.367 A123u = u = 9 i + u= 9 9.367 + 35.8 = 120.1Vss1n1soc故当 u = 5 V 时, 开路电压 u 为5u= Kuococ=12.110 = 0.416Veq将电路中的电压源短路,应用电阻串并联等效,求得等效内阻 R为R= (9 / 6 + 7) / 5 + 2/10 = 3.505Weq画出戴维宁等效电路如题解 4 9 图所示。4 10求图中各电路在 ab 端口的戴维宁等效电路或诺顿等效电路。oc解( a ):先求开路电 压 u 。应用结点电压法,结点编号如图( a
16、)所示。结点方程为(1 + 1 + 1 )u - 1 u= 10 222n12 n 221111-u2 n1+ ( + )u= 0 223n 2把以上方程加以整理有 3u - u= 10-3nu1n1+n82u= 0n 2u= 10 V应用消去法, 解得n 27u= un 2 1 = 10 V故开路电压oc2 +121eq再把电压源短路应用电阻串并联等效求内阻 RR= (2 / 2 + 2) / 2 + 2/1 =eq16 W21画出戴维宁等效电路如题解图( a1 ) 所示。oc解( b ): 应用电阻分压求得开路电压 u 为把电压源短路, 可求得等效内电阻为u= us a R = auocR
17、sR= (R -a R) / a R + Req1= a(1-a)R + R1等效电路如题解图( b1 ) 所示。scab解( c ): 这个问题用诺顿定理求解比较方便。把 ab 端口短路,显然短路电流等于电流源的电流, 即I= I= 1 Aeq把电流源开路求等效内电阻 Ro 由于电路是一平衡电桥, 可以把cd右 侧 电 阻 电 路 断 去 如 题 解 图 ( c1 ) 所 示 , 则R= (20 + 60) /(20 + 60) = 40 Weq画出诺顿等效电路如题解图( c2 ) 所示。解( d ): 应用替代定理, 图( d) 可以等效变换为题解图( d1 )所示的电路。则开路电压为u=
18、 10 - 5 1 = 5Voc把图( d1 )中的电压源短路,电流源开路,等效电阻画出戴维宁等效电路如图( d2 ) 所示。R= 5 + 5 = 10Weq4 11图( a) 所示含源一端口的外特性曲线画于图( b) 中, 求其等效电源。解: 根据戴维宁定理可知, 图示含源一端口电路可以等效为题解 4 11 图所示的电源电路, 其端口电压 u 和电流 i 满足关系式u = uoc- R ieq图( b) 所示的含源一端口的外特性曲线方程为1u = 10 - 5 i 较以上两个方程式, 可得等效电源电路的参数1,u = 10 VocR= 0.2 W5eq4 12求图示各电路的等效戴维宁电路或诺
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