До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 50% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 10 VR = 10 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 15 ms.
Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 24 Vt = 15 ms
vC = V
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 9,222 Ω
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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 8·28/(8+28) = 6,222 Ω
Req = R1 + 6,222 = 3 + 6,222 = 9,222 Ω
Відповідь
Req = 9,222 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,9056 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 = 12 + 25 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 16,57 Ω
R3 + 16,57 = 36,57 Ω
R2 ∥ 36,57 = 6,564 Ω
Req = R1 + 6,564 = 10 + 6,564 = 16,56 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/16,56 = 0,9056 A
Відповідь
IR1 = 0,9056 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: PIs = 43,11 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/20 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/4 = 0
0,8·VA − 0,25·VB = 7,5
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)/4 = 3
−0,25·VA + 0,45·VB = 3
Розв’яжіть
Δ = (0,8)(0,45) − (−0,25)(−0,25) = 0,2975
VA = Δ1/Δ = 4,125/0,2975 = 13,87 V
VB = Δ2/Δ = 4,275/0,2975 = 14,37 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 = 14,37·3 = 43,11 W
Відповідь
PIs = 43,11 W
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 9,867 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.
ЗСК для вузла A
VA відоме, тож це рівняння дає VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(40 − 36)/4 + 40/8 = (VB − 40)/3
6 = (VB − 40)/3 → VB = 58 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 = (58 − 40)/3 + 58/15 = 9,867 A
Відповідь
Is = 9,867 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: VR3 = 10,24 V
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) = 15
12·I1 − 8·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
20·I2 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 28·I2 = −12
Розв’яжіть
Δ = (12)(28) − (−8)(−8) = 272
I1 = Δ1/Δ = 324/272 = 1,191 A
I2 = Δ2/Δ = −24/272 = −0,08824 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 1,279 A
VR3 = IR3·R3 = 1,279·8 = 10,24 V
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = −0,07692 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 + 25(I1 − I2) = 18
55·I1 − 25·I2 = 18
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 + 25(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 75·I2 − 30·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
12·I3 + 30(I3 − I2) = (−6)
−30·I2 + 42·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 97500
I1 = Δ1/Δ = 36000/97500 = 0,3692 A
I2 = Δ2/Δ = 9000/97500 = 0,09231 A
I3 = Δ3/Δ = −7500/97500 = −0,07692 A
Відповідь
IR3 = I3 = −0,07692 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: IR2 = 3 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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·28/(3+28) = 2,71 Ω
VA = 6·2,71/(12+2,71) = 1,105 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,105·20/28 = 0,7895 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (1,105 − 0)/3 = 0,3684 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 10,4 = 6,842 Ω
VB = Is·Req = 5·6,842 = 34,21 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 34,21·2,4/10,4 = 7,895 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (7,895 − 0)/3 = 2,632 A
Додайте складові
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,3684 + 2,632 = 3 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
8.Метод накладання
Відповідь: IR3 = 2,565 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
V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 8 = 3,077 Ω
VA = 10·3,077/(4+3,077) = 4,348 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,348·3/8 = 1,63 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,348 − 0)/5 = 0,8696 A
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 = 2,222 Ω, тож лівий шлях — R2+2,222 = 7,222 Ω
Req = R4 ∥ 7,222 = 2,12 Ω
VB = Is·Req = 5·2,12 = 10,6 V
VA = VB·2,222/7,222 = 3,261 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,261 − 0)/5 = 0,6522 A
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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·7,222/10,22 = 16,96 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,96·2,222/7,222 = 5,217 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (5,217 − 0)/5 = 1,043 A
Додайте складові
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,8696 + 0,6522 + 1,043 = 2,565 A
Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,125 A
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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 20 = 21,82 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) = 30·2/(20+2) = 2,727 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 = 2,727/21,82 = 0,125 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 45,45 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 2 = 4,667 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) = 12 + 6·2,667 = 28 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28 + 6·2 = 40 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) = 40/(4,667 + 25) = 1,348 A
PL = IL²·RL = 1,348²·25 = 45,45 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,985 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.
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 = −1,8/2 = −0,9 mA
I2 = V2/R2 = −1,2/10 = −0,12 mA
If = I1 + I2 = −1,02 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −4,7·(−1,02) = 4,794 V
Відповідь
Vout = 4,794 V
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 0,6931 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 = 10 mH / 10 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 A
Виразіть час
0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1·ln(0,5) = 0,6931 ms
Відповідь
t = 0,6931 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 20,17 V
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.