До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 75% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 10 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 3,16 V, рівно через 10 ms після старту. При R = 100 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 5 VVth = 3,16 VT = 10 msR = 100 kΩ
C = µF
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,3965 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R3 + R4 = 12 + 15 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 20·27/(20+27) = 11,49 Ω
Req = R1 + 11,49 = 3 + 11,49 = 14,49 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/14,49 = 0,6902 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,6902·3 = 7,93 V
IR2 = VA/R2 = 7,93/20 = 0,3965 A
Відповідь
IR2 = 0,3965 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,4551 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R5 + R6 = 2 + 30 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 12,31 Ω
R3 + 12,31 = 24,31 Ω
R2 ∥ 24,31 = 3,435 Ω
Req = R1 + 3,435 = 6 + 3,435 = 9,435 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/9,435 = 0,53 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,53·6 = 1,82 V
IR2 = VA/R2 = 1,82/4 = 0,4551 A
Відповідь
IR2 = 0,4551 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR1 = 1,149 A
Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 V). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,45·VA − 0,06667·VB = 8
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.
ЗСК для вузла A
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(20 − 30)/12 + 20/6 = (VB − 20)/20
2,5 = (VB − 20)/20 → VB = 70 V
ЗСК для вузла B
Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (70 − 20)/20 + 70/8 = 11,25 A
Відповідь
Is = 11,25 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 0,9211 A
Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.
Призначте контурні струми
У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.
ЗНК для контуру 1
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
4·I1 + 8(I1 − I2) = 10
12·I1 − 8·I2 = 10
ЗНК для контуру 2
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 8(I2 − I1) = (−10)
−8·I1 + 18·I2 = −10
Розв’яжіть
Δ = (12)(18) − (−8)(−8) = 152
I1 = Δ1/Δ = 100/152 = 0,6579 A
I2 = Δ2/Δ = −40/152 = −0,2632 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 0,9211 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −0,3617 A
Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.
Призначте контурні струми
У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2, I3. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.
ЗНК для контуру 1
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
30·I1 + 2(I1 − I2) = 10
32·I1 − 2·I2 = 10
ЗНК для контуру 2
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 2(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 34·I2 − 12·I3 = 0
ЗНК для контуру 3
Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
20·I3 + 12(I3 − I2) = (−30)
−12·I2 + 32·I3 = −30
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 30080
I1 = Δ1/Δ = 8720/30080 = 0,2899 A
I2 = Δ2/Δ = −10880/30080 = −0,3617 A
I3 = Δ3/Δ = −32280/30080 = −1,073 A
Відповідь
I2 = −0,3617 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: VR4 = 15,09 V
Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.
Випадок 1 · діє лише V1
Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.
R3+R4 = 3+12 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
VA = 9·6,667/(8+6,667) = 4,091 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,091·12/15 = 3,273 V
VR4′ = VB − 0 = 3,273 − 0 = 3,273 V
Випадок 2 · діє лише Is
V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ паралельний R₂. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ і шляхом через R₃.
R1 ∥ R2 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 7,8 = 4,727 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,727 = 11,82 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11,82·4,8/7,8 = 7,273 V
VR4″ = VB − 0 = 11,82 − 0 = 11,82 V
Додайте складові
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 3,273 + 11,82 = 15,09 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = 20,41 V
Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.
Випадок 1 · діє лише V1
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 18 = 11,25 Ω
VA = 18·11,25/(4+11,25) = 13,28 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,28·3/18 = 2,213 V
VR3′ = VA − 0 = 13,28 − 0 = 13,28 V
Випадок 2 · діє лише Is
Обидва джерела напруги стають короткими замиканнями. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ (тепер до землі) і R₂, послідовним із R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 3,529 Ω, тож лівий шлях — R2+3,529 = 18,53 Ω
Req = R4 ∥ 18,53 = 2,582 Ω
VB = Is·Req = 2,5·2,582 = 6,455 V
VA = VB·3,529/18,53 = 1,23 V
VR3″ = VA − 0 = 1,23 − 0 = 1,23 V
Випадок 3 · діє лише V2
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 4·30/(4+30) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·18,53/21,53 = 30,98 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 30,98·3,529/18,53 = 5,902 V
VR3‴ = VA − 0 = 5,902 − 0 = 5,902 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 13,28 + 1,23 + 5,902 = 20,41 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 9,333 Ω
Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.
Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами
Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.
R1 ∥ R2 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 6 = 9,333 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 70,6 W
Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.
Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами
Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.
R1 ∥ R2 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 6 = 7,5 Ω
Знайдіть Vth — напругу холостого ходу
Коли a–b розімкнені, Iₛ може текти лише через R₃ у вузол A. Знайдіть V_A накладанням V₁ та Iₛ, потім додайте спад на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 9 + 5·1,5 = 16,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,5 + 5·6 = 46,5 V
Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена
Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 46,5/(7,5 + 10) = 2,657 A
PL = IL²·RL = 2,657²·10 = 70,6 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,8 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Інвертувальний вхід повторює вхід
V₋ = V₊ = −0,4 V
I = V₋/R1 = −0,4/47 = −0,008511 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,4 + (−0,008511)·47 = −0,8 V
Відповідь
Vout = −0,8 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: If = −0,2851 mA
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = −2/10 = −0,2 mA
I2 = V2/R2 = −0,4/4,7 = −0,08511 mA
If = I1 + I2 = −0,2851 mA
Відповідь
If = −0,2851 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 20,79 ms
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A
Виразіть час
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −15·ln(0,25) = 20,79 ms
Відповідь
t = 20,79 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 0,1 µF
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.