До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.
Vs = 10 VR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 15 ms.
Vs = 5 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 4 Vt = 15 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,7356 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 12·32/(12+32) = 8,727 Ω
Req = R1 + 8,727 = 15 + 8,727 = 23,73 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/23,73 = 1,011 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,011·15 = 8,828 V
IR2 = VA/R2 = 8,828/12 = 0,7356 A
Ответ
IR2 = 0,7356 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 10,95 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 = 3 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 2,75 Ω
R3 + 2,75 = 12,75 Ω
R2 ∥ 12,75 = 8,947 Ω
Req = R1 + 8,947 = 2 + 8,947 = 10,95 Ω
Ответ
Req = 10,95 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 6 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 = 12 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/4 + (VA − 12)/12 + (VA − VB)/2 = 0
0,8333·VA − 0,5·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/15 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,5667·VB = 1
Решите
Δ = (0,8333)(0,5667) − (−0,5)(−0,5) = 0,2222
VA = Δ1/Δ = 1,067/0,2222 = 4,8 V
VB = Δ2/Δ = 1,333/0,2222 = 6 V
Ответ
VB = 6 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 1,76 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 = 18 V, V2 = 24 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/6 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0,5167·VA − 0,1·VB = 4,5
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/4 + (VB − VA)/10 + (VB − 24)/5 = 0,5
−0,1·VA + 0,55·VB = 5,3
Решите
Δ = (0,5167)(0,55) − (−0,1)(−0,1) = 0,2742
VA = Δ1/Δ = 3,005/0,2742 = 10,96 V
VB = Δ2/Δ = 3,188/0,2742 = 11,63 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 10,96)/4 = 1,76 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,871 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
10·I1 + 6(I1 − I2) = 18
16·I1 − 6·I2 = 18
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
4·I2 + 6(I2 − I1) = (−12)
−6·I1 + 10·I2 = −12
Решите
Δ = (16)(10) − (−6)(−6) = 124
I1 = Δ1/Δ = 108/124 = 0,871 A
I2 = Δ2/Δ = −84/124 = −0,6774 A
Ответ
I1 = 0,871 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,149 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
2·I1 + 20(I1 − I2) = 10
22·I1 − 20·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
12·I2 + 20(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 40·I2 − 8·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
5·I3 + 8(I3 − I2) = (−24)
−8·I2 + 13·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4832
I1 = Δ1/Δ = 720/4832 = 0,149 A
I2 = Δ2/Δ = −1624/4832 = −0,3361 A
I3 = Δ3/Δ = −9920/4832 = −2,053 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,149 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR4 = 14,43 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·17/(2+17) = 1,789 Ω
VA = 24·1,789/(6+1,789) = 5,514 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,514·12/17 = 3,892 V
VR4′ = VB − 0 = 3,892 − 0 = 3,892 V
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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 6,5 = 4,216 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,216 = 10,54 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,54·1,5/6,5 = 2,432 V
VR4″ = VB − 0 = 10,54 − 0 = 10,54 V
Сложите составляющие
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 3,892 + 10,54 = 14,43 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: IR4 = −2,692 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) = 20 ∥ 35 = 12,73 Ω
VA = 30·12,73/(5+12,73) = 21,54 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 21,54·15/35 = 9,231 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 9,231)/15 = −0,6154 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 = 24 Ω
Req = R4 ∥ 24 = 9,231 Ω
VB = Is·Req = 4·9,231 = 36,92 V
VA = VB·4/24 = 6,154 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 36,92)/15 = −2,462 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·24/39 = 9,231 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,231·4/24 = 1,538 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (15 − 9,231)/15 = 0,3846 A
Сложите составляющие
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,6154) + (−2,462) + 0,3846 = −2,692 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,1622 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 12 = 16,44 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) = 6·8/(10+8) = 2,667 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 = 2,667/16,44 = 0,1622 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = −5,623 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 15 = 17,67 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) = 6,667 + (−6)·2,667 = −9,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −9,333 + (−6)·15 = −99,33 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 = −99,33/17,67 = −5,623 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 3,3 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 0,3 V
I = V₋/R1 = 0,3/4,7 = 0,06383 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,3 + 0,06383·47 = 3,3 V
Ответ
Vout = 3,3 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = −1,74 mA
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 = −1,7/1 = −1,7 mA
I2 = V2/R2 = −0,4/10 = −0,04 mA
If = I1 + I2 = −1,74 mA
Ответ
If = −1,74 mA
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1318 A
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.
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.