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​ = 12 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBR6​6 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 ΩR4 = 10 ΩR5 = 25 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 8 VIs​4 AAR1​8 ΩR2​8 ΩB

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VA (относительно земли).

Is = 4 AVs = 8 VR1 = 8 ΩR2 = 8 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 5,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 ΩVA = 5,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 Ω+−VR2​+−V1​12 VR3​5 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR4​2 ΩAR5​20 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).

V1 = 30 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 ΩR5 = 20 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBIs​2 A

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

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩIR3​AIs​5 AB+−V2​?

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

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩARL​3 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAIs​0,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −1,8 V

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

Vin = −1,8 VR1 = 4,7 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −0,1 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,9 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = −0,1 VV2 = 1,9 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 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 = 15 ms, в mJ.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 15 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 3,3 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 40 ms.

Vs = 24 VR = 3,3 kΩC = 47 µFvC(0) = 18 Vt = 40 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,745 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​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​2 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
Req = R1 + 1,75 = 12 + 1,75 = 13,75 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/13,75 = 1,745 A

Ответ

IR1 = 1,745 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,603 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​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBR6​6 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 + 6 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 7,561 Ω
R3 + 7,561 = 37,56 Ω
R2 ∥ 37,56 = 3,615 Ω
Req = R1 + 3,615 = 2 + 3,615 = 5,615 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/5,615 = 1,603 A

Ответ

IR1 = 1,603 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 12 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + Vs = VA + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/8 + (VA + 8)/8 = 4
VA = (4 − 8/8)/(1/8 + 1/8) = 12 V
VB = 12 + 8 = 20 V

Ответ

VA = 12 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 2,492 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

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(5,5 − 12)/12 + 5,5/5 = (VB − 5,5)/4
0,5583 = (VB − 5,5)/4 → VB = 7,733 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (7,733 − 5,5)/4 + 7,733/4 = 2,492 A

Ответ

Is = 2,492 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = 0,4615 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​ = 4 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​5 ΩA+−V2​6 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
4·I1 + 5(I1 − I2) = 12
9·I1 − 5·I2 = 12

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
5·I2 + 5(I2 − I1) = (−6)
−5·I1 + 10·I2 = −6

Решите

Δ = (9)(10) − (−5)(−5) = 65
I1 = Δ1/Δ = 90/65 = 1,385 A
I2 = Δ2/Δ = 6/65 = 0,09231 A

Ответ

IR2 = I2 = 0,09231 A
VR2 = IR2·R2 = 0,09231·5 = 0,4615 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 6,053 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​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR4​2 ΩAR5​20 ΩB+−V2​10 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
3·I1 + 2(I1 − I2) = 30
5·I1 − 2·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 2(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 47·I2 − 20·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
5·I3 + 20(I3 − I2) = (−10)
−20·I2 + 25·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3775
I1 = Δ1/Δ = 22850/3775 = 6,053 A
I2 = Δ2/Δ = 500/3775 = 0,1325 A
I3 = Δ3/Δ = −1110/3775 = −0,294 A

Ответ

I1 = 6,053 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = −0,117 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​8 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 = 8+8 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
VA = 30·8,889/(12+8,889) = 12,77 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12,77·8/16 = 6,383 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (6,383 − 12,77)/8 = −0,7979 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​20 ΩAR4​8 ΩBIs​2 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 15,5 = 5,277 Ω
VB = Is·Req = 2·5,277 = 10,55 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,55·7,5/15,5 = 5,106 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (10,55 − 5,106)/8 = 0,6809 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,7979) + 0,6809 = −0,117 A

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

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 10,2 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​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​4 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) = 4 ∥ 6 = 2,4 Ω
VA = 12·2,4/(15+2,4) = 1,655 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,655·3/6 = 0,8276 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​4 ΩAIs​5 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 = 3,158 Ω, поэтому левый путь — R2+3,158 = 6,158 Ω
Req = R4 ∥ 6,158 = 2,017 Ω
VB = −Is·Req = −5·2,017 = −10,09 V
VA = VB·3,158/6,158 = −5,172 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 = 3,158 Ω
VA‴ = V2·3,158/(3 + 3 + 3,158) = 0,3448·V2

Приравниваем VA к нулю

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,655 + (−5,172) + 0,3448·V2 = 0
V2 = 3,517/0,3448 = 10,2 V

Ответ

V2 = 10,2 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,2358 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​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​6 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 10 = 14,62 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 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) = 18·6/(20+6) = 4,154 V
Rth​ = 14,62 Ω+−Vth​4,154 VRL​3 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) = 4,154/(14,62 + 3) = 0,2358 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 22,02 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​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​25 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 = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,839 + 15 = 19,84 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​25 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) = 12,1 + 0,5·4,839 = 14,52 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,52 + 0,5·15 = 22,02 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −3,6 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₊ = −1,8 V
I = V₋/R1 = −1,8/4,7 = −0,383 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,8 + (−0,383)·4,7 = −3,6 V

Ответ

Vout = −3,6 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,311 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 = −0,1/1 = −0,1 mA
I2 = V2/R2 = 1,9/47 = 0,04043 mA
If = I1 + I2 = −0,05957 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −22·(−0,05957) = 1,311 V

Ответ

Vout = 1,311 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 107,7 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 = 20/10 = 2 A

Ток в заданный момент

i(t) = 2·(1 − e−15/6,8) = 1,78 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·68·1,78² = 107,7 mJ

Ответ

W = 107,7 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 19,36 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.

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 = 24 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 47 µF = 155,1 ms
vC(t) = 24 + (18 − 24)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(40) = 24 + (−6)·e−40/155,1 = 19,36 V

Ответ

vC = 19,36 V

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