Теория электрических цепей 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (14) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов
Req = R1 + R2 + …
Параллельное соединение резисторов
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два параллельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Мощность
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
  2. Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. После каждого шага перерисовывайте схему.
  4. Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа
ΣIin = ΣIout
Ток ветви
I = (Va − Vb)/R
Опорный узел
Vground = 0

Метод

  1. Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
  2. Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
  3. Выразите ток каждой ветви как (Va − Vb)/R.
  4. Решите систему уравнений, затем найдите нужные токи.

Метод контурных токов

Закон напряжений Кирхгофа
ΣV = 0 в каждом контуре
Общий резистор
ток = I1 − I2
Источник тока в контуре
задаёт ток этого контура

Метод

  1. Нарисуйте в каждом контуре (ячейке) схемы контурный ток по часовой стрелке.
  2. Примените второй закон Кирхгофа к каждому контуру: сумма падений напряжения равна нулю.
  3. В резисторе, общем для двух контуров, ток равен разности двух контурных токов.
  4. Решите уравнения; отрицательный результат означает, что ток течёт в обратную сторону.

Метод наложения

Метод наложения
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Отключённый источник напряжения
короткое замыкание (0 V)
Отключённый источник тока
разрыв (0 A)
Делитель напряжения
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Делитель тока
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Метод

  1. Посчитайте независимые источники. Для каждого источника вы решите одну более простую схему.
  2. Оставьте один источник, а остальные отключите: источник напряжения заменяется коротким замыканием (проводом), источник тока — разрывом цепи.
  3. Найдите в упрощённой схеме нужное напряжение или ток, следя за направлением.
  4. Повторите для каждого источника, затем сложите вклады с учётом знаков.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
  2. Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
  3. Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
  4. Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
  5. Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неинвертирующий усилитель
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Суммирующий усилитель
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Идеальный ОУ
V+ = V−, Iin = 0

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​15 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 ΩR5 = 30 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VB (относительно земли).

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​10 ΩB0,5·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,5·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VA (относительно земли).

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 Ωg = 0,5 A/V
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR4​20 ΩAR5​3 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 36 VV2 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 ΩR5 = 3 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​?

Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 Ω+−VR2​R4​ = 4 Ω+−V1​5 VR3​5 ΩAIs​6 AB+−V2​36 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 5 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​1 ABab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 51.

R1 = 47 kΩAv = 51
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = 1,9 VR1​ = 47 kΩV2​ = 0,1 VR2​ = 2 kΩ

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 1,9 VV2 = 0,1 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 20 Ωt = 0L22 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 0,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.

i(0) = 0,5 AR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​20 Vt = 0R = 4,7 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 18,6 V? Найдите t.

Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC(0) = 18 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 3,206 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​15 ΩB

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R3 + R4 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Req = R1 + 2,679 = 2 + 2,679 = 4,679 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 15/4,679 = 3,206 A

Ответ

IR1 = 3,206 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,976 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

R1​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBR6​2 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R5 + R6 = 30 + 2 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 8,727 Ω
R3 + 8,727 = 14,73 Ω
R2 ∥ 14,73 = 5,184 Ω
Req = R1 + 5,184 = 10 + 5,184 = 15,18 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 30/15,18 = 1,976 A

Ответ

IR1 = 1,976 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 25,19 V

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 V). Неизвестные: VA, VB.

ЗТК в узле A

Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/5 = 0
1,033·VA − 0,2·VB = 6

ЗТК в узле B

Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,2833·VB = 5

Решите

Δ = (1,033)(0,2833) − (−0,2)(−0,2) = 0,2528
VA = Δ1/Δ = 2,7/0,2528 = 10,68 V
VB = Δ2/Δ = 6,367/0,2528 = 25,19 V

Ответ

VB = 25,19 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 25,71 V

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

ЗТК в узле A

Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,7667·VA − 0,1667·VB = 9

ЗТК в узле B

Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,5·VA
−0,6667·VA + 0,2667·VB = 0

Решите

Δ = (0,7667)(0,2667) − (−0,1667)(−0,6667) = 0,09333
VA = Δ1/Δ = 2,4/0,09333 = 25,71 V
VB = Δ2/Δ = 6/0,09333 = 64,29 V

Ответ

VA = 25,71 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,3333 A

Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.

R1​ = 5 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 12(I1 − I2) = 30
17·I1 − 12·I2 = 30

ЗНК для контура 2

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 12(I2 − I1) = (−15)
−12·I1 + 27·I2 = −15

Решите

Δ = (17)(27) − (−12)(−12) = 315
I1 = Δ1/Δ = 630/315 = 2 A
I2 = Δ2/Δ = 105/315 = 0,3333 A

Ответ

I2 = 0,3333 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −5,936 A

Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.

R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR4​20 ΩAR5​3 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
15·I1 + 20(I1 − I2) = 36
35·I1 − 20·I2 = 36

ЗНК для контура 2

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 20(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 33·I2 − 3·I3 = 0

ЗНК для контура 3

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
3·I3 + 3(I3 − I2) = (−36)
−3·I2 + 6·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4215
I1 = Δ1/Δ = 4644/4215 = 1,102 A
I2 = Δ2/Δ = 540/4215 = 0,1281 A
I3 = Δ3/Δ = −25020/4215 = −5,936 A

Ответ

I3 = −5,936 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 1,286 A

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBОБРЫВ

Случай 1 · действует только V1

Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.

R3+R4 = 5+20 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω
VA = 30·8,108/(2+8,108) = 24,06 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 24,06·20/25 = 19,25 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (24,06 − 19,25)/5 = 0,9626 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.

R1 ∥ R2 = 1,714 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·20/26,71 = −0,7487·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,9626 − 0,7487·Is = 0
Is = 0,9626/0,7487 = 1,286 A

Ответ

Is = 1,286 A
8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −24,61 V

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​5 VR3​5 ΩAОБРЫВBКЗ

Случай 1 · действует только V1

V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 9 = 3,214 Ω
VA = 5·3,214/(6+3,214) = 1,744 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,744·4/9 = 0,7752 V
VR2′ = VA − VB = 1,744 − 0,7752 = 0,969 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​5 ΩAIs​6 ABКЗ

Случай 2 · действует только Is

Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 2,727 Ω, поэтому левый путь — R2+2,727 = 7,727 Ω
Req = R4 ∥ 7,727 = 2,636 Ω
VB = Is·Req = 6·2,636 = 15,81 V
VA = VB·2,727/7,727 = 5,581 V
VR2″ = VA − VB = 5,581 − 15,81 = −10,23 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB+−V2​36 V

Случай 3 · действует только V2

V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.

R1 ∥ R3 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·7,727/11,73 = 23,72 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 23,72·2,727/7,727 = 8,372 V
VR2‴ = VA − VB = 8,372 − 23,72 = −15,35 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,969 + (−10,23) + (−15,35) = −24,61 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 7,5 V

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 3 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​5 ΩAabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 12 = 13,88 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·5/(3+5) = 7,5 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1,766 A

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​12 ΩAОБРЫВBabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 5 = 6,714 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​1 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,143 + 1·1,714 = 6,857 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,857 + 1·5 = 11,86 V
IN​1,766 ARth​6,714 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 11,86/6,714 = 1,766 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 2350 kΩ

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (51 − 1)·47 = 2350 kΩ

Ответ

Rf = 2350 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −4,25 V

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I1 = V1/R1 = 1,9/47 = 0,04043 mA
I2 = V2/R2 = 0,1/2 = 0,05 mA
If = I1 + I2 = 0,09043 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −47·0,09043 = −4,25 V

Ответ

Vout = −4,25 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 4,029 V

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Постоянная времени

τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms

Убывание тока

i(t) = 0,5·e−1/1,1 = 0,2014 A
vR = R·i = 20·0,2014 = 4,029 V

Ответ

vR = 4,029 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 78,79 ms

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 18 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 47 µF = 220,9 ms
vC(t) = 20 + (18 − 20)·e−t/τ

Выразите время

18,6 = 20 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (18,6 − 20)/(18 − 20) = 0,7
t = τ·ln((18 − 20)/(18,6 − 20)) = 220,9·ln(1,429) = 78,79 ms

Ответ

t = 78,79 ms

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-1