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​ = 3 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​4 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBR6​10 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 12 VIs​2,5 AAR1​10 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 = 2,5 AVs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 8 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 Ω−+Vs​ = 5 V+−V1​10 VR2​2 ΩAR3​20 ΩBIs​5 A

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).

V1 = 10 VIs = 5 AVs = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 12 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR4​10 ΩAR5​3 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 3 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​12 ΩBIs​1 A

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

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩIR4​+−V1​10 VR3​12 ΩAIs​3 AB−+V2​15 V

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

V1 = 10 VIs = 3 AV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAIs​5 ABRL​10 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩRL = 10 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 31.

R1 = 22 kΩAv = 31
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = 1,9 VR = 2,2 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 1,9 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.

Vin = 1,9 VR = 2,2 kΩC = 4,7 µFVsat = ±14 Vt = 20 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 50% конечного значения? Найдите t.

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vразмыкается при t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3,3 kΩi2​C220 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток i2 через R2 при t = 300 ms.

Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 300 ms
i2 = mA

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,941 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​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​2 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 2·9/(2+9) = 1,636 Ω
Req = R1 + 1,636 = 3 + 1,636 = 4,636 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/4,636 = 1,941 A

Ответ

IR1 = 1,941 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 14,84 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​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBR6​10 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 + 10 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 2,571 Ω
R3 + 2,571 = 6,571 Ω
R2 ∥ 6,571 = 2,84 Ω
Req = R1 + 2,84 = 12 + 2,84 = 14,84 Ω

Ответ

Req = 14,84 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 4,444 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)/8 = 2,5
VA = (2,5 − 12/8)/(1/10 + 1/8) = 4,444 V
VB = 4,444 + 12 = 16,44 V

Ответ

VA = 4,444 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 13,85 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 + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 10)/10 + VA/2 + (VA + 5)/20 = 5
VA·(1/10 + 1/2 + 1/20) = 5 + 10/10 − 5/20 = 5,75
VA = 5,75/0,65 = 8,846 V
VB = 13,85 V

Ответ

VB = 13,85 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = −0,375 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​ = 12 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​20 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
12·I1 + 20(I1 − I2) = 6
32·I1 − 20·I2 = 6

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
15·I2 + 20(I2 − I1) = (−24)
−20·I1 + 35·I2 = −24

Решите

Δ = (32)(35) − (−20)(−20) = 720
I1 = Δ1/Δ = −270/720 = −0,375 A
I2 = Δ2/Δ = −648/720 = −0,9 A

Ответ

I1 = −0,375 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,6332 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR4​10 ΩAR5​3 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 9
18·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 10(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 17·I2 − 3·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
12·I3 + 3(I3 − I2) = (−12)
−3·I2 + 15·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2928
I1 = Δ1/Δ = 1854/2928 = 0,6332 A
I2 = Δ2/Δ = 702/2928 = 0,2398 A
I3 = Δ3/Δ = −2202/2928 = −0,752 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,6332 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = 1,291 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​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​12 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 = 4+12 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·16/(6+16) = 4,364 Ω
VA = 18·4,364/(10+4,364) = 5,468 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,468·12/16 = 4,101 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (5,468 − 0)/6 = 0,9114 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​1 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) = 12 ∥ 7,75 = 4,709 Ω
VB = Is·Req = 1·4,709 = 4,709 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,709·3,75/7,75 = 2,278 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (2,278 − 0)/6 = 0,3797 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,9114 + 0,3797 = 1,291 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = 1,9 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​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​10 VR3​12 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) = 12 ∥ 30 = 8,571 Ω
VA = 10·8,571/(20+8,571) = 3 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3·20/30 = 2 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2 − 0)/20 = 0,1 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​12 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.

R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, поэтому левый путь — R2+7,5 = 17,5 Ω
Req = R4 ∥ 17,5 = 9,333 Ω
VB = Is·Req = 3·9,333 = 28 V
VA = VB·7,5/17,5 = 12 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (28 − 0)/20 = 1,4 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​12 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·17,5/37,5 = −7 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7·7,5/17,5 = −3 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−7 − −15)/20 = 0,4 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1 + 1,4 + 0,4 = 1,9 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,3448 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​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​20 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 15 = 20,71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 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) = 10·20/(8+20) = 7,143 V
IN​0,3448 ARth​20,71 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 = 7,143/20,71 = 0,3448 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 2,621 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​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​5 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 6 = 9,333 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​5 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) = 4 + 5·3,333 = 20,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20,67 + 5·6 = 50,67 V
Rth​ = 9,333 Ω+−Vth​50,67 VRL​10 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) = 50,67/(9,333 + 10) = 2,621 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 660 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 = (31 − 1)·22 = 660 kΩ

Ответ

Rf = 660 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −3,675 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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 2,2 kΩ · 4,7 µF = 10,34 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −1,9/10,34 = −0,1838 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.

Vout = −Vin·t/(RC) = −1,9·20/10,34 = −3,675 V

Ответ

Vout = −3,675 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1,144 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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

Выразите время

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1,65·ln(0,5) = 1,144 ms

Ответ

t = 1,144 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i2 = 0,5969 mA

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 напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 12·3,3/(10 + 3,3) = 2,977 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 3,3·220 = 726 ms

Разряд

vC(t) = 2,977·e−300/726 = 1,97 V
i2 = vC/R2 = 1,97/3,3 = 0,5969 mA

Ответ

i2 = 0,5969 mA

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