До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 5 ms.
Vs = 10 VR = 50 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 19,5 V? Найдите t.
Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 10 µFvC(0) = 30 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 7 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Req = R1 + 2 = 5 + 2 = 7 Ω
Ответ
Req = 7 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 9,833 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.
R5 + R6 = 8 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 6,97 Ω
R3 + 6,97 = 21,97 Ω
R2 ∥ 21,97 = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 8 + 1,833 = 9,833 Ω
Ответ
Req = 9,833 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 11,38 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.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/6 = 0
0,4333·VA − 0,1667·VB = 1
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/6 = 4
−0,1667·VA + 0,25·VB = 4
Решите
Δ = (0,4333)(0,25) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,08056
VA = Δ1/Δ = 0,9167/0,08056 = 11,38 V
VB = Δ2/Δ = 1,9/0,08056 = 23,59 V
Ответ
VA = 11,38 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = −2,169 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 = 9 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/3 + (VA − 9)/12 + (VA − VB)/4 = 0
0,6667·VA − 0,25·VB = 0,75
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/2 + (VB − VA)/4 + (VB − 30)/10 = 3
−0,25·VA + 0,85·VB = 6
Решите
Δ = (0,6667)(0,85) − (−0,25)(−0,25) = 0,5042
VA = Δ1/Δ = 2,138/0,5042 = 4,24 V
VB = Δ2/Δ = 4,188/0,5042 = 8,306 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (8,306 − 30)/10 = −2,169 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,3793 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
3·I1 + 15(I1 − I2) = 12
18·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 15(I2 − I1) = (−15)
−15·I1 + 27·I2 = −15
Решите
Δ = (18)(27) − (−15)(−15) = 261
I1 = Δ1/Δ = 99/261 = 0,3793 A
I2 = Δ2/Δ = −90/261 = −0,3448 A
Ответ
I1 = 0,3793 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −1,799 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
3·I1 + 3(I1 − I2) = 10
6·I1 − 3·I2 = 10
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
3·I2 + 3(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 26·I2 − 20·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
2·I3 + 20(I3 − I2) = (−18)
−20·I2 + 22·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 834
I1 = Δ1/Δ = 640/834 = 0,7674 A
I2 = Δ2/Δ = −1500/834 = −1,799 A
I3 = Δ3/Δ = −2046/834 = −2,453 A
Ответ
I2 = −1,799 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR2 = 19,44 W
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 = 4+4 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
VA = 18·4,8/(4+4,8) = 9,818 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,818·4/8 = 4,909 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (9,818 − 0)/12 = 0,8182 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 7 = 2,545 Ω
VB = Is·Req = 5·2,545 = 12,73 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,73·3/7 = 5,455 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (5,455 − 0)/12 = 0,4545 A
Складываем вклады токов
IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,8182 + 0,4545 = 1,273 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR2 = IR2²·R2 = 1,273²·12 = 19,44 W
Ответ
PR2 = 19,44 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 10,51 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 0,9261 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.
R3 ∥ (R2+R4) = 8 ∥ 40 = 6,667 Ω
VA = 9·6,667/(8+6,667) = 4,091 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,091·25/40 = 2,557 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,091 − 0)/8 = 0,5114 A
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 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 19 Ω
Req = R4 ∥ 19 = 10,8 Ω
VB = Is·Req = 0,5·10,8 = 5,398 V
VA = VB·4/19 = 1,136 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,136 − 0)/8 = 0,142 A
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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·19/44 = 10,36 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,36·4/19 = 2,182 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (2,182 − 0)/8 = 0,2727 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,5114 + 0,142 + 0,2727 = 0,9261 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 6 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 8 = 11,33 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) = 18·5/(10+5) = 6 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 5,364 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 4 = 7,333 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) = 10 + 4·3,333 = 23,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,33 + 4·4 = 39,33 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 39,33/7,333 = 5,364 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 50 kΩ
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.
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (51 − 1)·1 = 50 kΩ
Ответ
Rf = 50 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,563 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 = 1,2/4,7 = 0,2553 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/22 = 0,07727 mA
If = I1 + I2 = 0,3326 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −4,7·0,3326 = −1,563 V
Ответ
Vout = −1,563 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 0,8208 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 и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/50 = 0,2 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−5/2 = 0,8208 V
Ответ
vL = 0,8208 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 15,25 ms
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 значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.