До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 1 ms, у mJ.
Vs = 9 VR = 10 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 80 ms.
Vs = 6 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 22 µFt = 80 ms
i2 = mA
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,54 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 = 6 + 12 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 10·18/(10+18) = 6,429 Ω
Req = R1 + 6,429 = 15 + 6,429 = 21,43 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/21,43 = 0,84 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,84·15 = 5,4 V
IR2 = VA/R2 = 5,4/10 = 0,54 A
Відповідь
IR2 = 0,54 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,9659 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 = 3 + 2 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 3,75 Ω
R3 + 3,75 = 13,75 Ω
R2 ∥ 13,75 = 3,667 Ω
Req = R1 + 3,667 = 10 + 3,667 = 13,67 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/13,67 = 1,317 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,317·10 = 4,829 V
IR2 = VA/R2 = 4,829/5 = 0,9659 A
Відповідь
IR2 = 0,9659 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: IR3 = −0,3624 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 = 9 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/2 + (VA − 9)/20 + (VA − VB)/10 = 0
0,65·VA − 0,1·VB = 0,45
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.
Визначте вузли
Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 V, V2 = −9 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/10 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/2 = 0
0,85·VA − 0,5·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/10 + (VB − VA)/2 + (VB − (−9))/3 = 6
−0,5·VA + 0,9333·VB = 3
Розв’яжіть
Δ = (0,85)(0,9333) − (−0,5)(−0,5) = 0,5433
VA = Δ1/Δ = 3,833/0,5433 = 7,055 V
VB = Δ2/Δ = 3,8/0,5433 = 6,994 V
Відповідь
IR4 = (VB − V2)/R4 = (6,994 − −9)/3 = 5,331 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR1 = −0,8235 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
5·I1 + 6(I1 − I2) = 10
11·I1 − 6·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
5·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 11·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (11)(11) − (−6)(−6) = 85
I1 = Δ1/Δ = −70/85 = −0,8235 A
I2 = Δ2/Δ = −270/85 = −3,176 A
Відповідь
IR1 = I1 = −0,8235 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = −0,5566 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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 9
11·I1 − 3·I2 = 9
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
2·I2 + 3(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 7·I2 − 2·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 + 2(I3 − I2) = (−6)
−2·I2 + 10·I3 = −6
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 636
I1 = Δ1/Δ = 558/636 = 0,8774 A
I2 = Δ2/Δ = 138/636 = 0,217 A
I3 = Δ3/Δ = −354/636 = −0,5566 A
Відповідь
IR3 = I3 = −0,5566 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR2 = 10,3 W
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 = 2+3 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
VA = 10·2,5/(6+2,5) = 2,941 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,941·3/5 = 1,765 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,941 − 0)/5 = 0,5882 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 4,727 = 1,835 Ω
VB = Is·Req = 4·1,835 = 7,341 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,341·2,727/4,727 = 4,235 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (4,235 − 0)/5 = 0,8471 A
Додайте внески струму
IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,5882 + 0,8471 = 1,435 A
Потужність у резисторі
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR2 = IR2²·R2 = 1,435²·5 = 10,3 W
Відповідь
PR2 = 10,3 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 5,318 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: PR4 = 35,24 W
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) = 4 ∥ 55 = 3,729 Ω
VA = 9·3,729/(8+3,729) = 2,861 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,861·30/55 = 1,561 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,561 − 0)/30 = 0,05202 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 = 2,667 Ω, тож лівий шлях — R2+2,667 = 27,67 Ω
Req = R4 ∥ 27,67 = 14,39 Ω
VB = Is·Req = 1,5·14,39 = 21,59 V
VA = VB·2,667/27,67 = 2,081 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (21,59 − 0)/30 = 0,7197 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·27,67/57,67 = −8,636 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −8,636·2,667/27,67 = −0,8324 V
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR4 = IR4²·R4 = 1,084²·30 = 35,24 W
Відповідь
PR4 = 35,24 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 18,54 W, а це неправильно.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: IN = 0,7895 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 20 = 21,71 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) = 30·4/(3+4) = 17,14 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 = 17,14/21,71 = 0,7895 A
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: PL = 40,02 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 4 = 7,529 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) = 6,353 + 4·3,529 = 20,47 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20,47 + 4·4 = 36,47 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) = 36,47/(7,529 + 4) = 3,163 A
PL = IL²·RL = 3,163²·4 = 40,02 W
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 28 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (15 − 1)·2 = 28 kΩ
Відповідь
Rf = 28 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 1,637 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.
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 = 9/10 = 0,9 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,9·(1 − e−1/1) = 0,5689 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·10·0,5689² = 1,618 mJ
Відповідь
W = 1,618 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i2 = 0,3905 mA
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.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.