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​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​8 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​6 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 30 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 8 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​1 A+−V2​9 V

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

V1 = 6 VIs = 1 AV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​2 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR4​10 ΩAR5​5 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 5 Ω
IR1 = 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 = 10 V и Is = 6 mA I = 7,2 mA; при Vs = 12 V и Is = 2 mA I = 7,6 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 10 V и Is = 3 mA.

10 V, 6 mA → 7,2 mA12 V, 2 mA → 7,6 mAVs = 10 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−VR2​R4​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAIs​1 AB+−V2​5 V

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

V1 = 18 VIs = 1 AV2 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 3.

R1 = 100 kΩAv = 3
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = −2,6 VR = 4,7 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 = −2,6 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 50 ms.

Vin = −2,6 VR = 4,7 kΩC = 2,2 µFVsat = ±14 Vt = 50 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 5 ΩL22 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 = 10 VR = 5 ΩL = 22 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 6,8 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 12,5 V? Найдите t.

Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 9,438 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​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​8 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 5·11/(5+11) = 3,438 Ω
Req = R1 + 3,438 = 6 + 3,438 = 9,438 Ω

Ответ

Req = 9,438 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,592 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​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​4 ΩBR6​6 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 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 3,6 Ω
R3 + 3,6 = 28,6 Ω
R2 ∥ 28,6 = 3,509 Ω
Req = R1 + 3,509 = 2 + 3,509 = 5,509 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/5,509 = 1,815 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,815·2 = 6,37 V
IR2 = VA/R2 = 6,37/4 = 1,592 A

Ответ

IR2 = 1,592 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = −6 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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/8 + (VA − 9)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,275·VA − 0,06667·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/12 + (VB − VA)/15 = (−5)
−0,06667·VA + 0,15·VB = −5

Решите

Δ = (0,275)(0,15) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,03681
VA = Δ1/Δ = −0,2208/0,03681 = −6 V
VB = Δ2/Δ = −1,325/0,03681 = −36 V

Ответ

VA = −6 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,7544 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​ = 3 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​1 A+−V2​9 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = 9 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/6 + (VA − 6)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,625·VA − 0,125·VB = 2

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/2 + (VB − VA)/8 + (VB − 9)/30 = 1
−0,125·VA + 0,6583·VB = 1,3

Решите

Δ = (0,625)(0,6583) − (−0,125)(−0,125) = 0,3958
VA = Δ1/Δ = 1,479/0,3958 = 3,737 V
VB = Δ2/Δ = 1,063/0,3958 = 2,684 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 3,737)/3 = 0,7544 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,25 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​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​2 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
12·I1 + 2(I1 − I2) = 18
14·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
12·I2 + 2(I2 − I1) = (−6)
−2·I1 + 14·I2 = −6

Решите

Δ = (14)(14) − (−2)(−2) = 192
I1 = Δ1/Δ = 240/192 = 1,25 A
I2 = Δ2/Δ = −48/192 = −0,25 A

Ответ

I2 = −0,25 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,2856 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​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR4​10 ΩAR5​5 ΩB+−V2​15 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 5
14·I1 − 10·I2 = 5

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 + 10(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 17·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
12·I3 + 5(I3 − I2) = (−15)
−5·I2 + 17·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1996
I1 = Δ1/Δ = 570/1996 = 0,2856 A
I2 = Δ2/Δ = −200/1996 = −0,1002 A
I3 = Δ3/Δ = −1820/1996 = −0,9118 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,2856 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 6,6 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
10·k₁ + 6·k₂ = 7,2
12·k₁ + 2·k₂ = 7,6

Находим константы

Δ = (10)(2) − (6)(12) = −52
k₁ = Δ1/Δ = −31,2/−52 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = −10,4/−52 = 0,2
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,2

Предсказываем новый ток

I = 0,6·10 + 0,2·3 = 6,6 mA

Ответ

I = 6,6 mA
8.Метод наложения

Ответ: VR2 = 1,895 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​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​15 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) = 15 ∥ 7 = 4,773 Ω
VA = 18·4,773/(3+4,773) = 11,05 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,05·4/7 = 6,316 V
VR2′ = VA − VB = 11,05 − 6,316 = 4,737 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​15 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 = 2,5 Ω, поэтому левый путь — R2+2,5 = 5,5 Ω
Req = R4 ∥ 5,5 = 2,316 Ω
VB = Is·Req = 1·2,316 = 2,316 V
VA = VB·2,5/5,5 = 1,053 V
VR2″ = VA − VB = 1,053 − 2,316 = −1,263 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​15 ΩAОБРЫВB+−V2​5 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 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·5,5/9,5 = 2,895 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,895·2,5/5,5 = 1,316 V
VR2‴ = VA − VB = 1,316 − 2,895 = −1,579 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 4,737 + (−1,263) + (−1,579) = 1,895 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 12,86 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​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​10 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 20 = 22,86 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​10 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) = 18·10/(4+10) = 12,86 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 44,57 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​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 3 = 8,217 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​8 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) = 3,478 + 5·5,217 = 29,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 29,57 + 5·3 = 44,57 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 200 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 = (3 − 1)·100 = 200 kΩ

Ответ

Rf = 200 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 12,57 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 = 4,7 kΩ · 2,2 µF = 10,34 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,6)/10,34 = 0,2515 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,6)·50/10,34 = 12,57 V

Ответ

Vout = 12,57 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 20,29 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 = 22 mH / 5 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A

Ток в заданный момент

i(t) = 2·(1 − e−5/4,4) = 1,358 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·22·1,358² = 20,29 mJ

Ответ

W = 20,29 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 221,5 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 47 µF = 319,6 ms
vC(t) = 5 + (20 − 5)·e−t/τ

Выразите время

12,5 = 5 + (15)·e−t/τ → e−t/τ = (12,5 − 5)/(20 − 5) = 0,5
t = τ·ln((20 − 5)/(12,5 − 5)) = 319,6·ln(2) = 221,5 ms

Ответ

t = 221,5 ms

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