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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​3 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 ΩR5 = 3 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 Ω+−Vs​ = 9 V+−V1​10 VR2​15 ΩAR3​10 ΩBIs​1 A

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

V1 = 10 VIs = 1 AVs = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​6 Ω+−VR4​AR5​10 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 30 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 Ω
VR4 = 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 = 5 V и Is = 10 mA I = 10,5 mA; при Vs = 6 V и Is = 6 mA I = 10,8 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 4 mA.

5 V, 10 mA → 10,5 mA6 V, 6 mA → 10,8 mAVs = 5 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 ΩIR4​+−V1​5 VR3​2 ΩAIs​1 AB+−V2​24 V

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

V1 = 5 VIs = 1 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 100 kΩVin​ = 1,5 V

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

Vin = 1,5 VR1 = 100 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = −2,2 VR = 2,2 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −2,2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 5 ms.

Vin = −2,2 VR = 2,2 kΩC = 0,47 µFVsat = ±13 Vt = 5 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 22 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 90% конечного значения? Найдите t.

Vs = 20 VR = 22 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = 3,3 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 13,8 V? Найдите t.

Vs = 15 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,6 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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​20 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 = 20 + 10 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 20·30/(20+30) = 12 Ω
Req = R1 + 12 = 6 + 12 = 18 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/18 = 1 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1·6 = 12 V
IR2 = VA/R2 = 12/20 = 0,6 A

Ответ

IR2 = 0,6 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8 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​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​3 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 4 Ω
R3 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 5 + 3 = 8 Ω

Ответ

Req = 8 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 10,3 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 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 − 6)/8 + (VA − VB)/2 = 0
0,7083·VA − 0,5·VB = 0,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/2 = 1,5
−0,5·VA + 0,55·VB = 1,5

Решите

Δ = (0,7083)(0,55) − (−0,5)(−0,5) = 0,1396
VA = Δ1/Δ = 1,163/0,1396 = 8,328 V
VB = Δ2/Δ = 1,438/0,1396 = 10,3 V

Ответ

VB = 10,3 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 10,56 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 − 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 10)/4 + VA/15 + (VA − 9)/10 = 1
VA·(1/4 + 1/15 + 1/10) = 1 + 10/4 + 9/10 = 4,4
VA = 4,4/0,4167 = 10,56 V
VB = 1,56 V

Ответ

VA = 10,56 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 1,714 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​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​8 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 15
11·I1 − 8·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
8·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 16·I2 = −6

Решите

Δ = (11)(16) − (−8)(−8) = 112
I1 = Δ1/Δ = 192/112 = 1,714 A
I2 = Δ2/Δ = 54/112 = 0,4821 A

Ответ

I1 = 1,714 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR4 = 20,5 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​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​6 ΩAR5​10 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 + 6(I1 − I2) = 30
8·I1 − 6·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
6·I2 + 6(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 22·I2 − 10·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
6·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 16·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1440
I1 = Δ1/Δ = 6840/1440 = 4,75 A
I2 = Δ2/Δ = 1920/1440 = 1,333 A
I3 = Δ3/Δ = 120/1440 = 0,08333 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 3,417 A
VR4 = IR4·R4 = 3,417·6 = 20,5 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 8,7 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
5·k₁ + 10·k₂ = 10,5
6·k₁ + 6·k₂ = 10,8

Находим константы

Δ = (5)(6) − (10)(6) = −30
k₁ = Δ1/Δ = −45/−30 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −9/−30 = 0,3
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = 0,3

Предсказываем новый ток

I = 1,5·5 + 0,3·4 = 8,7 mA

Ответ

I = 8,7 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR4 = 0,1391 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​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​5 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 ∥ 29 = 1,871 Ω
VA = 5·1,871/(3+1,871) = 1,921 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,921·4/29 = 0,2649 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,2649 − 0)/4 = 0,06623 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 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 = 1,2 Ω, поэтому левый путь — R2+1,2 = 26,2 Ω
Req = R4 ∥ 26,2 = 3,47 Ω
VB = Is·Req = 1·3,47 = 3,47 V
VA = VB·1,2/26,2 = 0,1589 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (3,47 − 0)/4 = 0,8675 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB+−V2​24 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·26,2/30,2 = 20,82 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 20,82·1,2/26,2 = 0,9536 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (20,82 − 24)/4 = −0,7947 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,06623 + 0,8675 + (−0,7947) = 0,1391 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 27,5 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​ = 12 ΩR3​ = 20 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 6,18 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​ = 30 ΩR3​ = 10 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 10 = 14,29 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​6 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) = 2,571 + 6·4,286 = 28,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,29 + 6·10 = 88,29 V
IN​6,18 ARth​14,29 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 = 88,29/14,29 = 6,18 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 3 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₊ = 1,5 V
I = V₋/R1 = 1,5/100 = 0,015 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,5 + 0,015·100 = 3 V

Ответ

Vout = 3 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 10,64 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 · 0,47 µF = 1,034 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,2)/1,034 = 2,128 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,2)·5/1,034 = 10,64 V

Ответ

Vout = 10,64 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 23,03 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 = 220 mH / 22 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A

Выразите время

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −10·ln(0,1) = 23,03 ms

Ответ

t = 23,03 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 205,6 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 15 + (12 − 15)·e−t/τ

Выразите время

13,8 = 15 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (13,8 − 15)/(12 − 15) = 0,4
t = τ·ln((12 − 15)/(13,8 − 15)) = 224,4·ln(2,5) = 205,6 ms

Ответ

t = 205,6 ms

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