До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 5 ms.
Vs = 24 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
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 6 V, ровно через 100 ms после старта. При R = 47 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 12 VVth = 6 VT = 100 msR = 47 kΩ
C = µF
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,5217 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 12 + 3,333 = 15,33 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/15,33 = 1,565 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,565·12 = 5,217 V
IR2 = VA/R2 = 5,217/10 = 0,5217 A
Ответ
IR2 = 0,5217 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 7,724 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 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 14,21 Ω
R3 + 14,21 = 22,21 Ω
R2 ∥ 22,21 = 4,724 Ω
Req = R1 + 4,724 = 3 + 4,724 = 7,724 Ω
Ответ
Req = 7,724 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 18,75 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 = 15 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/2 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/8 = 0
1,125·VA − 0,125·VB = 7,5
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)/8 = 2,5
−0,125·VA + 0,1917·VB = 2,5
Решите
Δ = (1,125)(0,1917) − (−0,125)(−0,125) = 0,2
VA = Δ1/Δ = 1,75/0,2 = 8,75 V
VB = Δ2/Δ = 3,75/0,2 = 18,75 V
Ответ
VB = 18,75 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = −0,12 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 = 6 V, V2 = 12 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 − 6)/6 + (VA − VB)/3 = 0
0,55·VA − 0,3333·VB = 1
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)/3 + (VB − 12)/4 = 1,5
−0,3333·VA + 0,8333·VB = 4,5
Решите
Δ = (0,55)(0,8333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3472
VA = Δ1/Δ = 2,333/0,3472 = 6,72 V
VB = Δ2/Δ = 2,808/0,3472 = 8,088 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 6,72)/6 = −0,12 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,5714 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 12
18·I1 − 3·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
15·I2 + 3(I2 − I1) = (−12)
−3·I1 + 18·I2 = −12
Решите
Δ = (18)(18) − (−3)(−3) = 315
I1 = Δ1/Δ = 180/315 = 0,5714 A
I2 = Δ2/Δ = −180/315 = −0,5714 A
Ответ
I1 = 0,5714 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = 0,1511 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
30·I1 + 20(I1 − I2) = 18
50·I1 − 20·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 20(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 28·I2 − 5·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 + 5(I3 − I2) = (−30)
−5·I2 + 35·I3 = −30
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 33750
I1 = Δ1/Δ = 14190/33750 = 0,4204 A
I2 = Δ2/Δ = 5100/33750 = 0,1511 A
I3 = Δ3/Δ = −28200/33750 = −0,8356 A
Ответ
I2 = 0,1511 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = −11,72 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 = 4+12 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·16/(3+16) = 2,526 Ω
VA = 15·2,526/(2+2,526) = 8,372 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,372·12/16 = 6,279 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 8,372 = −8,372 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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 5,2 = 3,628 Ω
VB = Is·Req = 4·3,628 = 14,51 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14,51·1,2/5,2 = 3,349 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 3,349 = −3,349 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−8,372) + (−3,349) = −11,72 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = −22,46 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) = 30 ∥ 25 = 13,64 Ω
VA = 12·13,64/(10+13,64) = 6,923 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,923·5/25 = 1,385 V
VR2′ = VB − VA = 1,385 − 6,923 = −5,538 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 = 7,5 Ω, поэтому левый путь — R2+7,5 = 27,5 Ω
Req = R4 ∥ 27,5 = 4,231 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·4,231 = −10,58 V
VA = VB·7,5/27,5 = −2,885 V
VR2″ = VB − VA = −10,58 − −2,885 = −7,692 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·27,5/32,5 = −12,69 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −12,69·7,5/27,5 = −3,462 V
VR2‴ = VB − VA = −12,69 − −3,462 = −9,231 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−5,538) + (−7,692) + (−9,231) = −22,46 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,1778 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 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) = 24·5/(20+5) = 4,8 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) = 4,8/(19 + 8) = 0,1778 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 35,21 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 12 = 14,67 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) = 2 + 3·2,667 = 10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10 + 3·12 = 46 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) = 46/(14,67 + 20) = 1,327 A
PL = IL²·RL = 1,327²·20 = 35,21 W
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −6 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₊ = −2 V
I = V₋/R1 = −2/1 = −2 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −2 + (−2)·2 = −6 V
Ответ
Vout = −6 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 1,815 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.
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 = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms
i(∞) = Vs/R = 24/15 = 1,6 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 = 24·e−5/3,133 = 4,866 V
Ответ
vL = 4,866 V
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 3,07 µF
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.