До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 99% конечного значения? Найдите t.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 10,8 V, ровно через 250 ms после старта. При C = 100 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 250 msC = 100 µF
R = kΩ
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 4 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 = 2 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Req = R1 + 2 = 2 + 2 = 4 Ω
Ответ
Req = 4 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,026 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.
R5 + R6 = 8 + 4 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6 Ω
R3 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 9,545 Ω
Req = R1 + 9,545 = 8 + 9,545 = 17,55 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/17,55 = 1,026 A
Ответ
IR1 = 1,026 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 56,25 W
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.
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 − 9)/12 + (VA − VB)/5 = 0
0,45·VA − 0,2·VB = 0,75
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)/5 = 3
−0,2·VA + 0,2667·VB = 3
Решите
Δ = (0,45)(0,2667) − (−0,2)(−0,2) = 0,08
VA = Δ1/Δ = 0,8/0,08 = 10 V
VB = Δ2/Δ = 1,5/0,08 = 18,75 V
Мощность, отдаваемая источником тока
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 18,75·3 = 56,25 W
Ответ
PIs = 56,25 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 0,2198 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 = 5 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/20 + (VA − 18)/2 + (VA − VB)/3 = 0
0,8833·VA − 0,3333·VB = 9
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 24
10·I1 − 4·I2 = 24
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
10·I2 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 14·I2 = −12
Решите
Δ = (10)(14) − (−4)(−4) = 124
I1 = Δ1/Δ = 288/124 = 2,323 A
I2 = Δ2/Δ = −24/124 = −0,1935 A
Ответ
IR1 = I1 = 2,323 A
VR1 = IR1·R1 = 2,323·6 = 13,94 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = −0,3093 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
20·I1 + 25(I1 − I2) = 15
45·I1 − 25·I2 = 15
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
4·I2 + 25(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 33·I2 − 4·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
30·I3 + 4(I3 − I2) = (−12)
−4·I2 + 34·I3 = −12
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 28520
I1 = Δ1/Δ = 15390/28520 = 0,5396 A
I2 = Δ2/Δ = 10590/28520 = 0,3713 A
I3 = Δ3/Δ = −8820/28520 = −0,3093 A
Ответ
IR3 = I3 = −0,3093 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 0,96 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
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.
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) = 10 ∥ 31 = 7,561 Ω
VA = 15·7,561/(8+7,561) = 7,288 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,288·6/31 = 1,411 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (7,288 − 0)/10 = 0,7288 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 = 4,444 Ω, поэтому левый путь — R2+4,444 = 29,44 Ω
Req = R4 ∥ 29,44 = 4,984 Ω
VB = Is·Req = 4·4,984 = 19,94 V
VA = VB·4,444/29,44 = 3,009 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,009 − 0)/10 = 0,3009 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·29,44/35,44 = −7,476 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,476·4,444/29,44 = −1,129 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,129 − 0)/10 = −0,1129 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,7288 + 0,3009 + (−0,1129) = 0,9169 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 11,45 Ω
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 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 6 = 11,45 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 0,8437 W
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 = 30·6/(30+6) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 5 = 10 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) = 0,8333 + 0,5·5 = 3,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,333 + 0,5·5 = 5,833 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 5,833/(10 + 12) = 0,2652 A
PL = IL²·RL = 0,2652²·12 = 0,8437 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 200 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 = (3 − 1)·100 = 200 kΩ
Ответ
Rf = 200 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,3106 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 = −0,7/47 = −0,01489 mA
I2 = V2/R2 = 0,8/4,7 = 0,1702 mA
If = I1 + I2 = 0,1553 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −2·0,1553 = −0,3106 V
Ответ
Vout = −0,3106 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 4,605 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.
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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A
Выразите время
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −1·ln(0,01) = 4,605 ms
Ответ
t = 4,605 ms
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 1,086 kΩ
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.