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​ = 15 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​3 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​25 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 6 VIs​5 AAR1​10 ΩR2​4 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 = 5 AVs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 4 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​12 ΩAR5​3 ΩBIs​5 A−+V2​10 V

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

V1 = 10 VIs = 5 AV2 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 25 ΩR5 = 3 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 2 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​5 ΩIR5​B+−V2​9 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​?

Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 Ω+−VR2​R4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​8 ΩAIs​1,5 AB+−V2​30 V

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

V1 = 5 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​1,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = −1 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1,2 VR3​ = 10 kΩR4​ = 22 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = −1 VV2 = 1,2 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −1,8 VR1​ = 1 kΩV2​ = −1,3 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = −1,8 VV2 = −1,3 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 2 ms, в mJ.

Vs = 15 VR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vразмыкается при t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4,7 kΩC220 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 300 ms.

Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µFt = 300 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,4545 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​3 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 + 3 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Req = R1 + 4,8 = 15 + 4,8 = 19,8 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/19,8 = 0,4545 A

Ответ

IR1 = 0,4545 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,0791 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​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩAR4​20 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 = 6 + 25 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 12,16 Ω
R3 + 12,16 = 16,16 Ω
R2 ∥ 16,16 = 7,778 Ω
Req = R1 + 7,778 = 25 + 7,778 = 32,78 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 5/32,78 = 0,1525 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,1525·25 = 1,187 V
IR2 = VA/R2 = 1,187/15 = 0,0791 A

Ответ

IR2 = 0,0791 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 10 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 + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/10 + (VA + 6)/4 = 5
VA = (5 − 6/4)/(1/10 + 1/4) = 10 V
VB = 10 + 6 = 16 V

Ответ

VA = 10 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,1357 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​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​12 ΩAR5​3 ΩBIs​5 A−+V2​10 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 V, V2 = −10 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/12 + (VA − 10)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,2583·VA − 0,125·VB = 0,5

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/3 + (VB − VA)/8 + (VB − (−10))/25 = 5
−0,125·VA + 0,4983·VB = 4,6

Решите

Δ = (0,2583)(0,4983) − (−0,125)(−0,125) = 0,1131
VA = Δ1/Δ = 0,8242/0,1131 = 7,286 V
VB = Δ2/Δ = 1,251/0,1131 = 11,06 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 7,286)/20 = 0,1357 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,6316 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​ = 2 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​6 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
2·I1 + 6(I1 − I2) = 24
8·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 6(I2 − I1) = (−24)
−6·I1 + 14·I2 = −24

Решите

Δ = (8)(14) − (−6)(−6) = 76
I1 = Δ1/Δ = 192/76 = 2,526 A
I2 = Δ2/Δ = −48/76 = −0,6316 A

Ответ

I2 = −0,6316 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 1,059 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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​5 ΩB+−V2​9 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
12·I1 + 30(I1 − I2) = 24
42·I1 − 30·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
5·I2 + 30(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 40·I2 − 5·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
20·I3 + 5(I3 − I2) = (−9)
−5·I2 + 25·I3 = −9

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 18450
I1 = Δ1/Δ = 22050/18450 = 1,195 A
I2 = Δ2/Δ = 16110/18450 = 0,8732 A
I3 = Δ3/Δ = −3420/18450 = −0,1854 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 1,059 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 1,667 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 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 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 = 3+12 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
VA = 30·4,286/(3+4,286) = 17,65 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 17,65·12/15 = 14,12 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (17,65 − 14,12)/3 = 1,176 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.

R1 ∥ R2 = 2 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·12/17 = −0,7059·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 1,176 − 0,7059·Is = 0
Is = 1,176/0,7059 = 1,667 A

Ответ

Is = 1,667 A
8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −7,778 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​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​8 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) = 8 ∥ 24 = 6 Ω
VA = 5·6/(30+6) = 0,8333 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,8333·20/24 = 0,6944 V
VR2′ = VA − VB = 0,8333 − 0,6944 = 0,1389 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​8 ΩAIs​1,5 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 = 6,316 Ω, поэтому левый путь — R2+6,316 = 10,32 Ω
Req = R4 ∥ 10,32 = 6,806 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,806 = 10,21 V
VA = VB·6,316/10,32 = 6,25 V
VR2″ = VA − VB = 6,25 − 10,21 = −3,958 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​8 ΩAОБРЫВB+−V2​30 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·10,32/30,32 = 10,21 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,21·6,316/10,32 = 6,25 V
VR2‴ = VA − VB = 6,25 − 10,21 = −3,958 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,1389 + (−3,958) + (−3,958) = −7,778 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 3,333 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​2 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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 2 = 3,333 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 14,88 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​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​6 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 3 = 7,615 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​6 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) = 3,462 + 1,5·4,615 = 10,38 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,38 + 1,5·3 = 14,88 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,84 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 входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,2·22/(10 + 22) = 0,825 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(−1 − 0,825)/10 = (0,825 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/10)·(1,2 − (−1)) = 4,84 V

Ответ

Vout = 4,84 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 3,655 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 = −1,8/1 = −1,8 mA
I2 = V2/R2 = −1,3/47 = −0,02766 mA
If = I1 + I2 = −1,828 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −2·(−1,828) = 3,655 V

Ответ

Vout = 3,655 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 4,58 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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,75·(1 − e−2/1,65) = 0,5268 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·33·0,5268² = 4,58 mJ

Ответ

W = 4,58 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 5,741 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 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) = 24·4,7/(10 + 4,7) = 7,673 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 4,7·220 = 1034 ms

Разряд

vC(t) = 7,673·e−300/1034 = 5,741 V

Ответ

vC = 5,741 V

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