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 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​18 VR3​20 ΩAR5​3 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 18 VIs = 2,5 AV2 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 3 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 Ω+−VR1​R2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR1 на R1 с указанной полярностью.

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
VR1 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 30 ΩIR3​+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​4 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 ΩR5 = 4 Ω
IR3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBIs​?

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

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩIR3​AIs​4 AB−+V2​9 V

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 15 VIs = 4 AV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​6 ΩAIs​0,5 ABRL​12 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 12 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 5 VIs = 0,5 AR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 3.

R1 = 100 kΩAv = 3
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −0,7 VR1​ = 47 kΩV2​ = 0,8 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = −0,7 VV2 = 0,8 VR1 = 47 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 99% конечного значения? Найдите t.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C100 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 10,8 V, ровно через 250 ms после старта. При C = 100 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 250 msC = 100 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 4 Ω

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​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​4 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 = 2 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Req = R1 + 2 = 2 + 2 = 4 Ω

Ответ

Req = 4 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,026 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​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​4 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6 Ω
R3 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 9,545 Ω
Req = R1 + 9,545 = 8 + 9,545 = 17,55 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/17,55 = 1,026 A

Ответ

IR1 = 1,026 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 56,25 W

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 подают в A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 9)/12 + (VA − VB)/5 = 0
0,45·VA − 0,2·VB = 0,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/5 = 3
−0,2·VA + 0,2667·VB = 3

Решите

Δ = (0,45)(0,2667) − (−0,2)(−0,2) = 0,08
VA = Δ1/Δ = 0,8/0,08 = 10 V
VB = Δ2/Δ = 1,5/0,08 = 18,75 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 18,75·3 = 56,25 W

Ответ

PIs = 56,25 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 0,2198 A

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 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩAR5​3 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 5 V). Неизвестные: VA, VB.

ЗТК в узле A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/20 + (VA − 18)/2 + (VA − VB)/3 = 0
0,8833·VA − 0,3333·VB = 9

ЗТК в узле B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/3 + (VB − VA)/3 + (VB − 5)/25 = 2,5
−0,3333·VA + 0,7067·VB = 2,7

Решите

Δ = (0,8833)(0,7067) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,5131
VA = Δ1/Δ = 7,26/0,5131 = 14,15 V
VB = Δ2/Δ = 5,385/0,5131 = 10,49 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (10,49 − 5)/25 = 0,2198 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 13,94 V

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​ = 6 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩA+−V2​12 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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 24
10·I1 − 4·I2 = 24

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
10·I2 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 14·I2 = −12

Решите

Δ = (10)(14) − (−4)(−4) = 124
I1 = Δ1/Δ = 288/124 = 2,323 A
I2 = Δ2/Δ = −24/124 = −0,1935 A

Ответ

IR1 = I1 = 2,323 A
VR1 = IR1·R1 = 2,323·6 = 13,94 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = −0,3093 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​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​4 ΩB+−V2​12 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
20·I1 + 25(I1 − I2) = 15
45·I1 − 25·I2 = 15

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
4·I2 + 25(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 33·I2 − 4·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
30·I3 + 4(I3 − I2) = (−12)
−4·I2 + 34·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 28520
I1 = Δ1/Δ = 15390/28520 = 0,5396 A
I2 = Δ2/Δ = 10590/28520 = 0,3713 A
I3 = Δ3/Δ = −8820/28520 = −0,3093 A

Ответ

IR3 = I3 = −0,3093 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 0,96 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​10 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 = 15+10 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
VA = 24·3,448/(6+3,448) = 8,759 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,759·10/25 = 3,504 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (8,759 − 3,504)/15 = 0,3504 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 = 2,4 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/27,4 = −0,365·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,3504 − 0,365·Is = 0
Is = 0,3504/0,365 = 0,96 A

Ответ

Is = 0,96 A
8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,9169 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​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​10 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) = 10 ∥ 31 = 7,561 Ω
VA = 15·7,561/(8+7,561) = 7,288 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,288·6/31 = 1,411 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (7,288 − 0)/10 = 0,7288 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​10 ΩAIs​4 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 = 4,444 Ω, поэтому левый путь — R2+4,444 = 29,44 Ω
Req = R4 ∥ 29,44 = 4,984 Ω
VB = Is·Req = 4·4,984 = 19,94 V
VA = VB·4,444/29,44 = 3,009 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,009 − 0)/10 = 0,3009 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​10 ΩAОБРЫВB−+V2​9 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·29,44/35,44 = −7,476 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,476·4,444/29,44 = −1,129 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,129 − 0)/10 = −0,1129 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,7288 + 0,3009 + (−0,1129) = 0,9169 A

Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 11,45 Ω

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​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​10 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 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 6 = 11,45 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 0,8437 W

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​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​6 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 = 30·6/(30+6) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 5 = 10 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​6 ΩAIs​0,5 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) = 0,8333 + 0,5·5 = 3,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,333 + 0,5·5 = 5,833 V
Rth​ = 10 Ω+−Vth​5,833 VRL​12 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 5,833/(10 + 12) = 0,2652 A
PL = IL²·RL = 0,2652²·12 = 0,8437 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 200 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 = (3 − 1)·100 = 200 kΩ

Ответ

Rf = 200 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,3106 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 = −0,7/47 = −0,01489 mA
I2 = V2/R2 = 0,8/4,7 = 0,1702 mA
If = I1 + I2 = 0,1553 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −2·0,1553 = −0,3106 V

Ответ

Vout = −0,3106 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 4,605 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.

Постоянная времени и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Выразите время

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −1·ln(0,01) = 4,605 ms

Ответ

t = 4,605 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 1,086 kΩ

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.

Требуемая постоянная времени

10,8 = 12·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(12/(12 − 10,8))
τ = 250/2,303 = 108,6 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 108,6/100 = 1,086 kΩ

Ответ

R = 1,086 kΩ

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