До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.
Vs = 9 VR = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.
Vs = 10 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 47 µFt = 400 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,6019 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Req = R1 + 4,615 = 12 + 4,615 = 16,62 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/16,62 = 0,6019 A
Ответ
IR1 = 0,6019 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 11,6 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 1,636 Ω
R3 + 1,636 = 26,64 Ω
R2 ∥ 26,64 = 9,596 Ω
Req = R1 + 9,596 = 2 + 9,596 = 11,6 Ω
Ответ
Req = 11,6 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 14,14 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 = 18 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 − 18)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,6167·VA − 0,25·VB = 3,6
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/4 = 3
−0,25·VA + 0,4167·VB = 3
Решите
Δ = (0,6167)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1944
VA = Δ1/Δ = 2,25/0,1944 = 11,57 V
VB = Δ2/Δ = 2,75/0,1944 = 14,14 V
Ответ
VB = 14,14 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 6,914 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, V2 = 36 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/25 + (VA − 12)/30 + (VA − VB)/2 = 0
0,5733·VA − 0,5·VB = 0,4
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/20 + (VB − VA)/2 + (VB − 36)/15 = (−1,5)
−0,5·VA + 0,6167·VB = 0,9
Решите
Δ = (0,5733)(0,6167) − (−0,5)(−0,5) = 0,1036
VA = Δ1/Δ = 0,6967/0,1036 = 6,727 V
VB = Δ2/Δ = 0,716/0,1036 = 6,914 V
Ответ
VB = 6,914 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,2045 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 12
17·I1 − 5·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 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 17·I2 = −30
Решите
Δ = (17)(17) − (−5)(−5) = 264
I1 = Δ1/Δ = 54/264 = 0,2045 A
I2 = Δ2/Δ = −450/264 = −1,705 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,2045 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 15,01 V
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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 36
18·I1 − 10·I2 = 36
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 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 23·I2 − 10·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
6·I3 + 10(I3 − I2) = (−36)
−10·I2 + 16·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3224
I1 = Δ1/Δ = 6048/3224 = 1,876 A
I2 = Δ2/Δ = −720/3224 = −0,2233 A
I3 = Δ3/Δ = −7704/3224 = −2,39 A
Ответ
IR1 = I1 = 1,876 A
VR1 = IR1·R1 = 1,876·8 = 15,01 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR4 = 62,66 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 = 15+5 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VA = 18·4/(6+4) = 7,2 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,2·5/20 = 1,8 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,8 − 0)/5 = 0,36 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R2 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 17,73 = 3,9 Ω
VB = −Is·Req = −5·3,9 = −19,5 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −19,5·2,727/17,73 = −3 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−19,5 − 0)/5 = −3,9 A
Складываем вклады токов
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,36 + (−3,9) = −3,54 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = (−3,54)²·5 = 62,66 W
Ответ
PR4 = 62,66 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 76,7 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = 16,36 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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 6 ∥ 10 = 3,75 Ω
VA = 36·3,75/(10+3,75) = 9,818 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 9,818·6/10 = 5,891 V
VR3′ = VA − 0 = 9,818 − 0 = 9,818 V
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 = 3,75 Ω, поэтому левый путь — R2+3,75 = 7,75 Ω
Req = R4 ∥ 7,75 = 3,382 Ω
VB = Is·Req = 1·3,382 = 3,382 V
VA = VB·3,75/7,75 = 1,636 V
VR3″ = VA − 0 = 1,636 − 0 = 1,636 V
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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·7,75/13,75 = 10,15 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,15·3,75/7,75 = 4,909 V
VR3‴ = VA − 0 = 4,909 − 0 = 4,909 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 9,818 + 1,636 + 4,909 = 16,36 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,1417 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 20 = 23,75 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/(15+5) = 4,5 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) = 4,5/(23,75 + 8) = 0,1417 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 2,016 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 8 = 11 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) = 7,5 + 5·3 = 22,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,5 + 5·8 = 62,5 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) = 62,5/(11 + 20) = 2,016 A
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 = 0,5009 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 = −0,1/10 = −0,01 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/47 = −0,01277 mA
If = I1 + I2 = −0,02277 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −22·(−0,02277) = 0,5009 V
Ответ
Vout = 0,5009 V
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,2486 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 напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.