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​ = 4 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​4 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩR5 = 10 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBIs​4 A

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

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 28 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩVA = 28 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩIR3​A+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​20 ΩIR5​B+−V2​24 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR5 через R5 в направлении стрелки.

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 ΩR5 = 20 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBIs​2,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​30 Ω−+VR3​AIs​6 AB+−V2​15 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.

V1 = 6 VIs = 6 AV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​2 ABRL​2 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩRL = 2 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −0,2 V

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

Vin = −0,2 VR1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1,1 VR1​ = 22 kΩV2​ = 2 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 1,1 VV2 = 2 VR1 = 22 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 47 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 5 VR = 47 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 100 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 6,75 V, ровно через 20 ms после старта. При R = 100 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 9 VVth = 6,75 VT = 20 msR = 100 kΩ
C = µF

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,9534 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​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​8 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 8·17/(8+17) = 5,44 Ω
Req = R1 + 5,44 = 4 + 5,44 = 9,44 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/9,44 = 0,9534 A

Ответ

IR1 = 0,9534 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 16,73 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​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​8 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 = 10 + 4 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,091 Ω
R3 + 5,091 = 13,09 Ω
R2 ∥ 13,09 = 1,735 Ω
Req = R1 + 1,735 = 15 + 1,735 = 16,73 Ω

Ответ

Req = 16,73 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 51,21 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/5 + (VA − 9)/2 + (VA − VB)/3 = 0
1,033·VA − 0,3333·VB = 4,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/3 = 4
−0,3333·VA + 0,5333·VB = 4

Решите

Δ = (1,033)(0,5333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,44
VA = Δ1/Δ = 3,733/0,44 = 8,485 V
VB = Δ2/Δ = 5,633/0,44 = 12,8 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 = 12,8·4 = 51,21 W

Ответ

PIs = 51,21 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 10 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
(28 − 30)/8 + 28/8 = (VB − 28)/8
3,25 = (VB − 28)/8 → VB = 54 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (54 − 28)/8 + 54/8 = 10 A

Ответ

Is = 10 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 2,553 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​ = 4 Ω+−V1​15 VR3​3 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
5·I1 + 3(I1 − I2) = 15
8·I1 − 3·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 3(I2 − I1) = (−12)
−3·I1 + 7·I2 = −12

Решите

Δ = (8)(7) − (−3)(−3) = 47
I1 = Δ1/Δ = 69/47 = 1,468 A
I2 = Δ2/Δ = −51/47 = −1,085 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 2,553 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,9266 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​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​20 ΩB+−V2​24 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
6·I1 + 5(I1 − I2) = 18
11·I1 − 5·I2 = 18

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
3·I2 + 5(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 28·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
2·I3 + 20(I3 − I2) = (−24)
−20·I2 + 22·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1826
I1 = Δ1/Δ = 1488/1826 = 0,8149 A
I2 = Δ2/Δ = −3300/1826 = −1,807 A
I3 = Δ3/Δ = −4992/1826 = −2,734 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,9266 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 0,3629 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​5 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+5 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·17/(4+17) = 3,238 Ω
VA = 9·3,238/(15+3,238) = 1,598 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,598·5/17 = 0,47 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 1,598)/15 = 0,4935 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​4 ΩAR4​5 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 15,16 = 3,76 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,76 = 9,399 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,399·3,158/15,16 = 1,958 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,958)/15 = −0,1305 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,4935 + (−0,1305) = 0,3629 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR3 = −11,63 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​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​30 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) = 30 ∥ 42 = 17,5 Ω
VA = 6·17,5/(4+17,5) = 4,884 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,884·12/42 = 1,395 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 4,884 = −4,884 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​30 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 = 3,529 Ω, поэтому левый путь — R2+3,529 = 33,53 Ω
Req = R4 ∥ 33,53 = 8,837 Ω
VB = Is·Req = 6·8,837 = 53,02 V
VA = VB·3,529/33,53 = 5,581 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 5,581 = −5,581 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​30 ΩAОБРЫВB+−V2​15 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 = 4·30/(4+30) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·33,53/45,53 = 11,05 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 11,05·3,529/33,53 = 1,163 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 1,163 = −1,163 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−4,884) + (−5,581) + (−1,163) = −11,63 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 10,8 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​ = 4 ΩR3​ = 6 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 6 = 8,4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 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/(4+6) = 10,8 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 7,058 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​ = 20 ΩR3​ = 8 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​2 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) = 1,875 + 2·7,5 = 16,88 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,88 + 2·8 = 32,88 V
Rth​ = 15,5 Ω+−Vth​32,88 VRL​2 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) = 32,88/(15,5 + 2) = 1,879 A
PL = IL²·RL = 1,879²·2 = 7,058 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,136 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₊ = −0,2 V
I = V₋/R1 = −0,2/4,7 = −0,04255 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,2 + (−0,04255)·22 = −1,136 V

Ответ

Vout = −1,136 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,4755 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 = 1,1/22 = 0,05 mA
I2 = V2/R2 = 2/4,7 = 0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,4755 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −1·0,4755 = −0,4755 V

Ответ

Vout = −0,4755 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 1,245 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 = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0,1064 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·0,1064² = 1,245 mJ

Ответ

W(∞) = 1,245 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 0,1443 µF

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

6,75 = 9·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(9/(9 − 6,75))
τ = 20/1,386 = 14,43 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 14,43/100 = 0,1443 µF

Ответ

C = 0,1443 µF

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