Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 100 ms.
Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 100 ms
vC = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 6 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 14,4 V? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 6 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,7855 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 = 8 + 3 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 20·11/(20+11) = 7,097 Ω
Req = R1 + 7,097 = 12 + 7,097 = 19,1 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/19,1 = 0,7855 A
Відповідь
IR1 = 0,7855 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,819 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 = 25 + 5 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 5 Ω
R3 + 5 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 6,316 Ω
Req = R1 + 6,316 = 12 + 6,316 = 18,32 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/18,32 = 0,819 A
Відповідь
IR1 = 0,819 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 23,39 W
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 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/3 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/10 = 0
0,5·VA − 0,1·VB = 0,6
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/10 = 2,5
−0,1·VA + 0,3·VB = 2,5
Розв’яжіть
Δ = (0,5)(0,3) − (−0,1)(−0,1) = 0,14
VA = Δ1/Δ = 0,43/0,14 = 3,071 V
VB = Δ2/Δ = 1,31/0,14 = 9,357 V
Потужність, яку віддає джерело струму
Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.
PIs = VB·Is = 9,357·2,5 = 23,39 W
Відповідь
PIs = 23,39 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 14,06 V
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 = 30 V, V2 = 5 V). Невідомі: VA, VB.
ЗСК у вузлі A
Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/8 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/25 = 0
0,2483·VA − 0,04·VB = 2,5
ЗСК у вузлі B
Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/8 + (VB − VA)/25 + (VB − 5)/8 = 6
−0,04·VA + 0,29·VB = 6,625
Розв’яжіть
Δ = (0,2483)(0,29) − (−0,04)(−0,04) = 0,07042
VA = Δ1/Δ = 0,99/0,07042 = 14,06 V
VB = Δ2/Δ = 1,745/0,07042 = 24,78 V
Відповідь
VA = 14,06 V
5.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = −0,4773 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
20·I1 + 20(I1 − I2) = 15
40·I1 − 20·I2 = 15
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
12·I2 + 20(I2 − I1) = (−18)
−20·I1 + 32·I2 = −18
Розв’яжіть
Δ = (40)(32) − (−20)(−20) = 880
I1 = Δ1/Δ = 120/880 = 0,1364 A
I2 = Δ2/Δ = −420/880 = −0,4773 A
Відповідь
I2 = −0,4773 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I1 = 0,1008 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 + 20(I1 − I2) = 6
50·I1 − 20·I2 = 6
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
3·I2 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 33·I2 − 10·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−6)
−10·I2 + 18·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 17500
I1 = Δ1/Δ = 1764/17500 = 0,1008 A
I2 = Δ2/Δ = −840/17500 = −0,048 A
I3 = Δ3/Δ = −6300/17500 = −0,36 A
Відповідь
I1 = 0,1008 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR1 = 0,6046 A
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 = 12+15 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·27/(5+27) = 4,219 Ω
VA = 12·4,219/(4+4,219) = 6,16 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,16·15/27 = 3,422 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 6,16)/4 = 1,46 A
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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 14,22 = 7,3 Ω
VB = Is·Req = 3·7,3 = 21,9 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,9·2,222/14,22 = 3,422 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 3,422)/4 = −0,8555 A
Додайте складові
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,46 + (−0,8555) = 0,6046 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: V2 = 47 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) = 6 ∥ 28 = 4,941 Ω
VA = 30·4,941/(30+4,941) = 4,242 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,242·25/28 = 3,788 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R3 = 5 Ω, тож лівий шлях — R2+5 = 8 Ω
Req = R4 ∥ 8 = 6,061 Ω
VB = −Is·Req = −3·6,061 = −18,18 V
VA = VB·5/8 = −11,36 V
Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт
V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.
R1 ∥ R3 = 5 Ω
VA‴ = V2·5/(25 + 3 + 5) = 0,1515·V2
Прирівняйте VA до нуля
При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.
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 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 10 = 13,08 Ω
Знайдіть Vth — напругу холостого ходу
Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·5/(8+5) = 4,615 V
Еквівалент Нортона
Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.
IN = Vth/Rth = 4,615/13,08 = 0,3529 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = −63,75 V
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 = 25·15/(25+15) = 9,375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9,375 + 2 = 11,38 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) = 4,5 + (−6)·9,375 = −51,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −51,75 + (−6)·2 = −63,75 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 10,26 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₊ = 1,8 V
I = V₋/R1 = 1,8/10 = 0,18 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,8 + 0,18·47 = 10,26 V
Відповідь
Vout = 10,26 V
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,8165 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.
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.
Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора
Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·3,3/(10 + 3,3) = 2,481 kΩ
vC(∞) = 15·3,3/(10 + 3,3) = 3,722 V
Стала часу
τ = Rth·C = 2,481·22 = 54,59 ms
Крива заряджання
vC(t) = 3,722·(1 − e−100/54,59) = 3,126 V
Відповідь
vC = 3,126 V
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 302,4 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.