До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 95% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 20 VR = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 15 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 22,2 V? Знайдіть t.
Vs = 24 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 15 V
t = ms
3Розчини
1.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,7742 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 = 4 + 20 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 20·24/(20+24) = 10,91 Ω
Req = R1 + 10,91 = 6 + 10,91 = 16,91 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/16,91 = 1,419 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,419·6 = 15,48 V
IR2 = VA/R2 = 15,48/20 = 0,7742 A
Відповідь
IR2 = 0,7742 A
2.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 0,8198 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 9,375 Ω
R3 + 9,375 = 19,38 Ω
R2 ∥ 19,38 = 6,596 Ω
Req = R1 + 6,596 = 30 + 6,596 = 36,6 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/36,6 = 0,8198 A
Відповідь
IR1 = 0,8198 A
3.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: VA = 11,03 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 = 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/15 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,3·VA − 0,1667·VB = 1,6
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/2 + (VB − VA)/6 = 5
−0,1667·VA + 0,6667·VB = 5
Розв’яжіть
Δ = (0,3)(0,6667) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1722
VA = Δ1/Δ = 1,9/0,1722 = 11,03 V
VB = Δ2/Δ = 1,767/0,1722 = 10,26 V
Відповідь
VA = 11,03 V
4.Метод вузлових потенціалів
Відповідь: Is = 3,567 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
(10 − 6)/12 + 10/8 = (VB − 10)/25
1,583 = (VB − 10)/25 → VB = 49,58 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 = (49,58 − 10)/25 + 49,58/25 = 3,567 A
Відповідь
Is = 3,567 A
5.Метод контурних струмів
Відповідь: IR3 = 2,667 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 10
9·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
3·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 9·I2 = −30
Розв’яжіть
Δ = (9)(9) − (−6)(−6) = 45
I1 = Δ1/Δ = −90/45 = −2 A
I2 = Δ2/Δ = −210/45 = −4,667 A
Відповідь
IR3 = I1 − I2 = 2,667 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
6.Метод контурних струмів
Відповідь: I2 = 0,187 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 + 10(I1 − I2) = 12
18·I1 − 10·I2 = 12
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 + 10(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 32·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
15·I3 + 2(I3 − I2) = (−15)
−2·I2 + 17·I3 = −15
Розв’яжіть
Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8020
I1 = Δ1/Δ = 6180/8020 = 0,7706 A
I2 = Δ2/Δ = 1500/8020 = 0,187 A
I3 = Δ3/Δ = −6900/8020 = −0,8603 A
Відповідь
I2 = 0,187 A
Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.
7.Метод накладання
Відповідь: PR1 = 6,359 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 = 10+4 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
VA = 6·1,75/(4+1,75) = 1,826 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,826·4/14 = 0,5217 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 1,826)/4 = 1,043 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.
R1 ∥ R2 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 11,33 = 2,957 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·2,957 = −7,391 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −7,391·1,333/11,33 = −0,8696 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −0,8696)/4 = 0,2174 A
Додайте внески струму
IR1 = IR1′ + IR1″ = 1,043 + 0,2174 = 1,261 A
Потужність у резисторі
Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.
PR1 = IR1²·R1 = 1,261²·4 = 6,359 W
Відповідь
PR1 = 6,359 W
Сума потужностей окремих випадків дала б 4,544 W, а це неправильно.
8.Метод накладання
Відповідь: VR3 = −4,857 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) = 20 ∥ 23 = 10,7 Ω
VA = 15·10,7/(12+10,7) = 7,07 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,07·3/23 = 0,9221 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 7,07 = −7,07 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 = 7,5 Ω, тож лівий шлях — R2+7,5 = 27,5 Ω
Req = R4 ∥ 27,5 = 2,705 Ω
VB = Is·Req = 3·2,705 = 8,115 V
VA = VB·7,5/27,5 = 2,213 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 2,213 = −2,213 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·27,5/30,5 = −16,23 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −16,23·7,5/27,5 = −4,426 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − −4,426 = 4,426 V
Додайте складові
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−7,07) + (−2,213) + 4,426 = −4,857 V
Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.
9.Тевенен і Нортон
Відповідь: Rth = 7 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 Ω
10.Тевенен і Нортон
Відповідь: Vth = −190,3 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 30 = 33,43 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) = 10,29 + (−6)·3,429 = −10,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10,29 + (−6)·30 = −190,3 V
11.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: V− = 1,701 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.
Напруга на входах
Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = −0,4/1 = −0,4 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/4,7 = 0,2979 mA
If = I1 + I2 = −0,1021 mA
Відповідь
If = −0,1021 mA
13.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 65,91 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A
Виразіть час
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −22·ln(0,05) = 65,91 ms
Відповідь
t = 65,91 ms
14.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 1609 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.