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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​25 ΩBR6​2 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 ΩR5 = 25 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​20 Ω−+V1​6 VI1​R2​20 Ω+−V2​9 VR3​15 Ω+−V3​10 VA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩV2 = 9 VR2 = 20 ΩV3 = 10 VR3 = 15 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 10 ΩIR4​+−V1​9 VR3​10 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A+−V2​6 V

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

V1 = 9 VIs = 1 AV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 20 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩIR3​A+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​30 ΩAR5​5 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩIR2​AR4​20 ΩBIs​2,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​?

Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAIs​4 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 1,9 V

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

Vin = 1,9 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = −1,9 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,9 VR3​ = 10 kΩR4​ = 100 kΩ

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = −1,9 VV2 = 1,9 VR1 = 1 kΩR2 = 1 kΩR3 = 10 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 VR1​ = 47 ΩR2​ = 47 Ωзамыкается при t = 0L100 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.

Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,835 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 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​2 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 = 6 + 2 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Req = R1 + 3,077 = 10 + 3,077 = 13,08 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/13,08 = 1,835 A

Ответ

IR1 = 1,835 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 6,157 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​ = 3 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​25 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 = 25 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 12,98 Ω
R3 + 12,98 = 14,98 Ω
R2 ∥ 14,98 = 3,157 Ω
Req = R1 + 3,157 = 3 + 3,157 = 6,157 Ω

Ответ

Req = 6,157 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I1 = −0,545 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.

ЗТК в узле A

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − (−6))/20 + (VA − 9)/20 + (VA − 10)/15 = 0

Находим VA

VA = ((−6)/20 + 9/20 + 10/15) / (1/20 + 1/20 + 1/15) = 0,8167/0,1667 = 4,9 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I1 = ((−6) − VA)/R1 = ((−6) − 4,9)/20 = −0,545 A

Ответ

I1 = −0,545 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 0,3805 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​ = 3 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A+−V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 V, V2 = 6 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/10 + (VA − 9)/3 + (VA − VB)/20 = 0
0,4833·VA − 0,05·VB = 3

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/20 + (VB − VA)/20 + (VB − 6)/10 = 1
−0,05·VA + 0,2·VB = 1,6

Решите

Δ = (0,4833)(0,2) − (−0,05)(−0,05) = 0,09417
VA = Δ1/Δ = 0,68/0,09417 = 7,221 V
VB = Δ2/Δ = 0,9233/0,09417 = 9,805 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (9,805 − 6)/10 = 0,3805 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 1,167 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​ = 3 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩA+−V2​24 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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 9
13·I1 − 10·I2 = 9

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
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−24)
−10·I1 + 16·I2 = −24

Решите

Δ = (13)(16) − (−10)(−10) = 108
I1 = Δ1/Δ = −96/108 = −0,8889 A
I2 = Δ2/Δ = −222/108 = −2,056 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 1,167 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,6665 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​ = 2 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​30 ΩAR5​5 ΩB+−V2​6 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
2·I1 + 30(I1 − I2) = 15
32·I1 − 30·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
12·I2 + 30(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 47·I2 − 5·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
4·I3 + 5(I3 − I2) = (−6)
−5·I2 + 9·I3 = −6

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4636
I1 = Δ1/Δ = 5070/4636 = 1,094 A
I2 = Δ2/Δ = 3090/4636 = 0,6665 A
I3 = Δ3/Δ = −1374/4636 = −0,2964 A

Ответ

I2 = 0,6665 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = 1,21 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​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​6 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 = 12+20 = 32 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·32/(6+32) = 5,053 Ω
VA = 6·5,053/(10+5,053) = 2,014 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,014·20/32 = 1,259 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,014 − 0)/6 = 0,3357 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​2,5 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.

R1 ∥ R2 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 15,75 = 8,811 Ω
VB = Is·Req = 2,5·8,811 = 22,03 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 22,03·3,75/15,75 = 5,245 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (5,245 − 0)/6 = 0,8741 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,3357 + 0,8741 = 1,21 A

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

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 3 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​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​18 VR3​20 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) = 20 ∥ 35 = 12,73 Ω
VA = 18·12,73/(15+12,73) = 8,262 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,262·15/35 = 3,541 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​20 ΩAIs​3 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R3 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 28,57 Ω
Req = R4 ∥ 28,57 = 9,836 Ω
VB = −Is·Req = −3·9,836 = −29,51 V
VA = VB·8,571/28,57 = −8,852 V

Случай 3 · действует только V2, на один вольт

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

R1 ∥ R3 = 8,571 Ω
VA‴ = V2·8,571/(15 + 20 + 8,571) = 0,1967·V2

Приравниваем VA к нулю

При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 8,262 + (−8,852) + 0,1967·V2 = 0
V2 = 0,5902/0,1967 = 3 V

Ответ

V2 = 3 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 10 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​ = 2 ΩR3​ = 15 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 15 = 16,67 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​10 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) = 12·10/(2+10) = 10 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 131,7 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​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​15 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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 25 = 31,67 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAIs​4 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 + 4·6,667 = 31,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 31,67 + 4·25 = 131,7 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 5,7 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.

Инвертирующий вход повторяет вход

V₋ = V₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/1 = 1,9 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 1,9·2 = 5,7 V

Ответ

Vout = 5,7 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 5,355 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.

Напряжение на входе +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,9·100/(10 + 100) = 1,727 V

Наложение двух входов

При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.

Vout = −(1/1)·(−1,9) + (1 + 1/1)·1,727 = 1,9 + 3,455 = 5,355 V

Ответ

Vout = 5,355 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 116,2 mJ

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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A

Ток в заданный момент

i(t) = 2,4·(1 − e−10/6,8) = 1,849 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·68·1,849² = 116,2 mJ

Ответ

W = 116,2 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1216 A

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

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 6/(47 + 47) = 0,06383 A
i(∞) = 6/47 = 0,1277 A
τ = L/R = 100/47 = 2,128 ms
i(t) = 0,1277 + (0,06383 − 0,1277)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(5) = 0,1277 + (−0,06383)·e−5/2,128 = 0,1216 A

Ответ

i = 0,1216 A

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