Условие: L = 20 мГн; R
1 = 2 кОм; R
2 = 2 кОм; R
3 = 2 кОм; E = 10 B.
Рассчитать все токи и напряжение на L в 3 момента времени t = 0-, 0+, [$8734$].
Рассчитать классическим методом переходный процесс в виде i
2(t), i
3(t), U
L(t),
Вычислить длительность переходного процесса, соответствующую переходу цепи в установившееся состояние с погрешностью 5%.
Решение: Ваша RL-цепь содержит т-ко 1 реактивный элемент L . В предложенной Вами методичке "
Переходные процессы в линейных электрических цепях. Классический метод анализа"
Ссылка1 переходный процесс описывается дифференциальным уравнением первого порядка, имеющего обобщённый вид
U(t) = R·i
L + U
L(t) , где U
L(t) = L·di/dt
Согласно описанию Классического метода ищем Решение уравнения в виде суммы 2х составляющих :
i(t) = i
пр + i
св(t)[$8195$] [$8195$] (1)
здесь i
пp - принуждённая составляющая тока, обусловленная действием источника напряжени E ,
i
св(t) - свободная составляющая тока, обусловленная свободными переходными процессами, протекающими в цепи без участия источника E .
Требование применить Классический метод принуждает нас использовать Характеристическое уравнение. Как составить это Характеристич уравнение? - алгоритм хорошо описан в другой методичке "
Классический метод расчёта переходных процессов"
Ссылка2 . Следуем его пунктам:
1. Расчёт цепи до коммутации и определение начальных условий (токов в индуктивностях и напряжений на ёмкостях). До коммутации ток в цепи постоянный, поэтому ёмкость (где она присутствует) заменяем разрывом цепи, а индуктивность - перемычкой.
Применительно к Вашей эл-схеме : Вычисляем токи i
1, i
2, i
3 и напряжение u
L в момент времени t = 0- . Ключ К исходно разомкнут, ток проходит через элементы R1, R2, L . Катушка индуктивности в этот момент коротко-замкнута. Тогда:
u
L = 0[$8195$] ,[$8195$] i
2(0-) = E / (R
1 + R
2) = 10 B / (2 кОм + 2 кОм) = 2,5 мА ,
i
1(0-) = i
2(0-) = 2,5 мА[$8195$] ,[$8195$] i
3(0-) = 0 .
2. Расчёт цепи после коммутации и определение принуждённой составляющей решения. После коммутации в момент t = [$8734$] ток также постоянен, поэтому снова заменяем индуктивность перемычкой :
u
L = 0 , i
2([$8734$]) = E / R
1 = 10 B / 2 кОм = 5 мА , i
1([$8734$]) = i
2([$8734$]) = 5 мА , i
3([$8734$]) = 0 .
3. Составление характеристического уравнения цепи: Из цепи, сложившейся после коммутации, исключаем источник энергии. Производим разрыв цепи в любой, произвольно выбранной точке. В Вашем случае удобнее всего заменить источник E разрывом цепи.
Заменяем элементы цепи их комлексными сопротивлениями, вычисляем входное сопротивление полученной цепи относительно точки разрыва. Для момента времени t+ получаем:
Z(j·[$969$]) = R
1 + 1 / (1 / j·[$969$]·L + 1 / R
3)
Произведение j·[$969$] заменяем на оператор p : Z(p) = R
1 + 1 / (1 / p·L + 1 / R
3)
Приравниваем найденное сопротивление нулю : R
1 + 1 / (1 / p·L + 1 / R
3) = 0 - характеристическое уравнение составлено
Вычисляем p-корни характеристич-го уравнения: 1 / (1 / p·L + 1 / R
3) = -R
11 / p·L + 1 / R
3 = -1 / R
1p·L = -1 / (1 / R
1 +1 / R
3) = - R
эЗдесь R
э = 1 / (1 / R
1 +1 / R
3) = R
1·R
3 / (R
1 + R
3) = 2·2 / (2 + 2) = 1 кОм - эквивалентное сопротивление параллельно-соединённых резисторов R
1, R
3 .
Единственный корень p = - R
э / L = 1 кОм / 20 мГн = 0,05 мксек
-1Постоянная времени [$964$] = 1 / |p| = 20 мксек.
Свободная составляющая тока i
св = A·e
p·t = A·e
-t/[$964$] , где А - постоянная интегрирования.
Вы можете вычислять в международной системе СИ, это избавит Вас от приставок кило, микро, но вынудит использовать множители типа 10
3, 10
-6 … Инженеры-практики предпочитают использовать приставки, теоретики - множители.
Для вычисления постоянной интегрирования запишем уравнение для тока i
2 :
i
2(t) = i
2([$8734$]) + A·e
-t/[$964$]Учтём начальные условия для i(2) и закон коммутаци: i
2(0-) = i
2(0+) = 2,5 мА , i
2([$8734$]) = 5 мА.
i
2(0+) = 2,5 = 5 + A·e
0/[$964$] = 5 + A·1 = 5 + A
Таким образом, A = 2,5 - 5 = -2,5 мА .
Мы получили выражение для тока i
2(t) = 5 - 2,5·e
-t/[$964$] в миллиАмперах.
Вычислим напряжение u
L на индуктивности дифференцированием выражение тока i
2(t) :
u
L(t) = L·di
L / dt = L·(5 - 2,5·e
-t/[$964$])' = L·[5' - 2,5·(e
-t/[$964$])'] = L·(0 - 2,5·(-1/[$964$])·e
-t/[$964$]) = (2,5·L / [$964$])·e
-t/[$964$]Подставляем L = 20 мГн, [$964$] = 20 мкс , ток в мА, тогда приставки милли·милли в числителе и мк знаменателе сокращаются:
u
L(t) = (2,5·20 / 20)·e
-t/[$964$] = 2,5·e
-t/[$964$] Вольт.
Вычислим i
3(t) по закону Ома: i
3(t) = u
L(t) / R3 = (2,5·e
-t/[$964$] В) / (2 кОм) = 1,25·e
-t/[$964$] мА .
Ответ: До коммутации i
2 = 2,5 мА, i
3 = U
L = 0 .
После коммутации i
2(t) = 5 - 2,5·e
-t/[$964$] мА, i
3(t) = 1,25·e
-t/[$964$] мА , u
L(t) = 2,5·e
-t/[$964$] В .
Длительность переходного процесса по уровню 5% [$8776$] 60 мкСек. График, выполненный в приложении
Маткад (ссылка3) прилагаю.