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​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​10 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​5 ΩBR6​25 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 8 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

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

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​3 ΩB0,05·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,05·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VB (относительно земли).

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ωg = 0,05 A/V
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 Ω+−VR2​R3​ = 8 Ω+−V1​24 VR4​8 ΩAR5​25 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩR5 = 25 Ω
VR2 = V
7.Метод наложенияСредняя
линейная цепьVs​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 15 V и Is = 6 mA I = 21,6 mA; при Vs = 10 V и Is = 1 mA I = 12,6 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 2 V и Is = 4 mA.

15 V, 6 mA → 21,6 mA10 V, 1 mA → 12,6 mAVs = 2 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩIR2​R4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩAIs​1 AB−+V2​12 V

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

V1 = 9 VIs = 1 AV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAIs​1,5 ABRL​8 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 21.

R1 = 100 kΩAv = 21
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1,6 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0,9 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 2 kΩ

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

V1 = 1,6 VV2 = 0,9 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 47 ΩL100 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 = 24 VR = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 6,8 V? Найдите t.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,98 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​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​10 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 = 4 + 10 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
Req = R1 + 5,091 = 4 + 5,091 = 9,091 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/9,091 = 1,98 A

Ответ

IR1 = 1,98 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,038 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​ = 20 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​5 ΩBR6​25 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 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 4,342 Ω
R3 + 4,342 = 34,34 Ω
R2 ∥ 34,34 = 8,893 Ω
Req = R1 + 8,893 = 20 + 8,893 = 28,89 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/28,89 = 1,038 A

Ответ

IR1 = 1,038 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 1,691 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​1 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 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/12 + (VA − 24)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,5333·VA − 0,25·VB = 4,8

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/4 = 1
−0,25·VA + 0,35·VB = 1

Решите

Δ = (0,5333)(0,35) − (−0,25)(−0,25) = 0,1242
VA = Δ1/Δ = 1,93/0,1242 = 15,54 V
VB = Δ2/Δ = 1,733/0,1242 = 13,96 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 15,54)/5 = 1,691 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 5,209 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
0,4333·VA − 0,1·VB = 6

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 = 0,05·VA
−0,15·VA + 0,4333·VB = 0

Решите

Δ = (0,4333)(0,4333) − (−0,1)(−0,15) = 0,1728
VA = Δ1/Δ = 2,6/0,1728 = 15,05 V
VB = Δ2/Δ = 0,9/0,1728 = 5,209 V

Ответ

VB = 5,209 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,1607 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​ = 8 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​18 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 12
18·I1 − 10·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
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 18·I2 = −18

Решите

Δ = (18)(18) − (−10)(−10) = 224
I1 = Δ1/Δ = 36/224 = 0,1607 A
I2 = Δ2/Δ = −204/224 = −0,9107 A

Ответ

I1 = 0,1607 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = 2,093 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​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR4​8 ΩAR5​25 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
2·I1 + 8(I1 − I2) = 24
10·I1 − 8·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 8(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 35·I2 − 25·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
8·I3 + 25(I3 − I2) = (−12)
−25·I2 + 33·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3188
I1 = Δ1/Δ = 10320/3188 = 3,237 A
I2 = Δ2/Δ = 3336/3188 = 1,046 A
I3 = Δ3/Δ = 1368/3188 = 0,4291 A

Ответ

IR2 = I2 = 1,046 A
VR2 = IR2·R2 = 1,046·2 = 2,093 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 4,8 mA

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.

Записываем отклик как сумму вкладов

Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.

I = k₁·Vs + k₂·Is
15·k₁ + 6·k₂ = 21,6
10·k₁ + 1·k₂ = 12,6

Находим константы

Δ = (15)(1) − (6)(10) = −45
k₁ = Δ1/Δ = −54/−45 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −27/−45 = 0,6
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = 0,6

Предсказываем новый ток

I = 1,2·2 + 0,6·4 = 4,8 mA

Ответ

I = 4,8 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR2 = −0,07895 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 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​2 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) = 2 ∥ 20 = 1,818 Ω
VA = 9·1,818/(12+1,818) = 1,184 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,184·15/20 = 0,8882 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (1,184 − 0,8882)/5 = 0,05921 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 ΩAIs​1 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 = 1,714 Ω, поэтому левый путь — R2+1,714 = 6,714 Ω
Req = R4 ∥ 6,714 = 4,638 Ω
VB = Is·Req = 1·4,638 = 4,638 V
VA = VB·1,714/6,714 = 1,184 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (1,184 − 4,638)/5 = −0,6908 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB−+V2​12 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·6,714/21,71 = −3,711 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −3,711·1,714/6,714 = −0,9474 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−0,9474 − −3,711)/5 = 0,5526 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,05921 + (−0,6908) + 0,5526 = −0,07895 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 2,308 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​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​15 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 5 = 9,286 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 30·15/(6+15) = 21,43 V
IN​2,308 ARth​9,286 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 = 21,43/9,286 = 2,308 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,36 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​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​2 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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 5 = 6,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAIs​1,5 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) = 10 + 1,5·1,333 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 1,5·5 = 19,5 V
Rth​ = 6,333 Ω+−Vth​19,5 VRL​8 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) = 19,5/(6,333 + 8) = 1,36 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 2000 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 = (21 − 1)·100 = 2000 kΩ

Ответ

Rf = 2000 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,576 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) = 0,9·2/(4,7 + 2) = 0,2687 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 = −(47/22)·1,6 + (1 + 47/22)·0,2687 = −3,418 + 0,8426 = −2,576 V

Ответ

Vout = −2,576 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 9,798 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 = 100 mH / 47 Ω = 2,128 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0,5106 A

Выразите время

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −2,128·ln(0,01) = 9,798 ms

Ответ

t = 9,798 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 79,23 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 47 µF = 155,1 ms
vC(t) = 5 + (8 − 5)·e−t/τ

Выразите время

6,8 = 5 + (3)·e−t/τ → e−t/τ = (6,8 − 5)/(8 − 5) = 0,6
t = τ·ln((8 − 5)/(6,8 − 5)) = 155,1·ln(1,667) = 79,23 ms

Ответ

t = 79,23 ms

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