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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 ΩR5 = 30 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 12 VIs​4 AAR1​10 ΩR2​15 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 VB (относительно земли).

Is = 4 AVs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩAR5​15 ΩBIs​0,5 A−+V2​30 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).

V1 = 12 VIs = 0,5 AV2 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 15 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​2 Ω+−VR3​A+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
VR3 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩIR4​AR5​25 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 36 VV2 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩR5 = 25 Ω
IR4 = A
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 = 10 mA I = 6 mA; при Vs = 2 V и Is = 6 mA I = 2,2 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 15 V и Is = 6 mA.

15 V, 10 mA → 6 mA2 V, 6 mA → 2,2 mAVs = 15 V, Is = 6 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​2 Ω−+VR3​AIs​2,5 AB+−V2​12 V

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

V1 = 24 VIs = 2,5 AV2 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 3 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 22 kΩ

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

Vin = 3 VRa = 4,7 kΩRb = 22 kΩR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 47 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 10 kΩRf2​ = 100 kΩ

Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Входное напряжение Vin = 0,1 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 47 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 100 kΩVin = 0,1 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

Vs = 15 VR = 20 ΩL = 220 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 Vt = 0R = 6,8 kΩC220 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 = 1000 ms.

Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 18 Vt = 1000 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 14 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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 8 + 6 = 14 Ω

Ответ

Req = 14 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,4297 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​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​2 ΩBR6​30 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 1,935 Ω
R3 + 1,935 = 16,94 Ω
R2 ∥ 16,94 = 3,236 Ω
Req = R1 + 3,236 = 25 + 3,236 = 28,24 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/28,24 = 0,5312 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,5312·25 = 1,719 V
IR2 = VA/R2 = 1,719/4 = 0,4297 A

Ответ

IR2 = 0,4297 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 31,2 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 + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/10 + (VA + 12)/15 = 4
VA = (4 − 12/15)/(1/10 + 1/15) = 19,2 V
VB = 19,2 + 12 = 31,2 V

Ответ

VB = 31,2 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 3,301 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.

R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩAR5​15 ΩBIs​0,5 A−+V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 V, V2 = −30 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/3 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/25 = 0
0,6233·VA − 0,04·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/15 + (VB − VA)/25 + (VB − (−30))/3 = (−0,5)
−0,04·VA + 0,44·VB = −10,5

Решите

Δ = (0,6233)(0,44) − (−0,04)(−0,04) = 0,2727
VA = Δ1/Δ = 0,9/0,2727 = 3,301 V
VB = Δ2/Δ = −6,425/0,2727 = −23,56 V

Ответ

VA = 3,301 V
5.Метод контурных токов

Ответ: VR3 = 9,563 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​ = 15 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​2 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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 18
17·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 4·I2 = −18

Решите

Δ = (17)(4) − (−2)(−2) = 64
I1 = Δ1/Δ = 36/64 = 0,5625 A
I2 = Δ2/Δ = −270/64 = −4,219 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 4,781 A
VR3 = IR3·R3 = 4,781·2 = 9,563 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR4 = 1,038 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​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩAR5​25 ΩB+−V2​30 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 + 30(I1 − I2) = 36
33·I1 − 30·I2 = 36

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 + 30(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 59·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
2·I3 + 25(I3 − I2) = (−30)
−25·I2 + 27·I3 = −30

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7644
I1 = Δ1/Δ = 12348/7644 = 1,615 A
I2 = Δ2/Δ = 4410/7644 = 0,5769 A
I3 = Δ3/Δ = −4410/7644 = −0,5769 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 1,038 A

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 + 10·k₂ = 6
2·k₁ + 6·k₂ = 2,2

Находим константы

Δ = (15)(6) − (10)(2) = 70
k₁ = Δ1/Δ = 14/70 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = 21/70 = 0,3
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,3

Предсказываем новый ток

I = 0,2·15 + 0,3·6 = 4,8 mA

Ответ

I = 4,8 mA
8.Метод наложения

Ответ: VR3 = −6,569 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​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​24 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 ∥ 23 = 1,84 Ω
VA = 24·1,84/(8+1,84) = 4,488 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,488·8/23 = 1,561 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 4,488 = −4,488 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​2 ΩAIs​2,5 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.

R1 ∥ R3 = 1,6 Ω, поэтому левый путь — R2+1,6 = 16,6 Ω
Req = R4 ∥ 16,6 = 5,398 Ω
VB = Is·Req = 2,5·5,398 = 13,5 V
VA = VB·1,6/16,6 = 1,301 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 1,301 = −1,301 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·16,6/24,6 = 8,098 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,098·1,6/16,6 = 0,7805 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 0,7805 = −0,7805 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−4,488) + (−1,301) + (−0,7805) = −6,569 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 10,67 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​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​4 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 8 = 10,67 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = −4,932 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​ = 12 ΩR3​ = 30 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 30 = 31,71 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​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) = 2,143 + (−5)·1,714 = −6,429 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −6,429 + (−5)·30 = −156,4 V
IN​4,932 ARth​31,71 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 = −156,4/31,71 = −4,932 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,944 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 3·22/(4,7 + 22) = 2,472 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 2,472·(1 + 2/2) = 4,944 V

Ответ

Vout = 4,944 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −11 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.

Коэффициент усиления каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −47/4,7 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 100/10 = 11

Каскад за каскадом

V1 = −10·0,1 = −1 V
Vout = 11·(−1) = −11 V

Ответ

Vout = −11 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 8,255 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 / 20 Ω = 11 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,75·(1 − e−5/11) = 0,2739 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·220·0,2739² = 8,255 mJ

Ответ

W = 8,255 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 12,15 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 = 6 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 6 + (18 − 6)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(1000) = 6 + (12)·e−1000/1496 = 12,15 V

Ответ

vC = 12,15 V

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