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​ = 5 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​8 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​2 ΩBR6​4 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBIs​4 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​30 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 22,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩVA = 22,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​6 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​30 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 ΩR5 = 30 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBIs​?

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

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​36 VR3​25 Ω+−VR3​AIs​1,5 AB+−V2​24 V

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

V1 = 36 VIs = 1,5 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 2 kΩVin​

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 2 kΩRf = 22 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 1 µFVin​ = −1,2 VR = 1 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 = −1,2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 1 ms.

Vin = −1,2 VR = 1 kΩC = 1 µFVsat = ±14 Vt = 1 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 10 ms.

Vs = 5 VR = 10 ΩL = 47 mHt = 10 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 9,6 V, ровно через 50 ms после старта. При R = 22 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 12 VVth = 9,6 VT = 50 msR = 22 kΩ
C = µF

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,4 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​20 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 5 + 7,5 = 12,5 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/12,5 = 2,4 A

Ответ

IR1 = 2,4 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 9,967 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​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​2 ΩBR6​4 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 = 25 + 4 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 1,871 Ω
R3 + 1,871 = 7,871 Ω
R2 ∥ 7,871 = 3,967 Ω
Req = R1 + 3,967 = 6 + 3,967 = 9,967 Ω

Ответ

Req = 9,967 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = 1,385 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​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBIs​4 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/3 + (VA − 6)/15 + (VA − VB)/2 = 0
0,9·VA − 0,5·VB = 0,4

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/2 = (−4)
−0,5·VA + VB = −4

Решите

Δ = (0,9)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,65
VA = Δ1/Δ = −1,6/0,65 = −2,462 V
VB = Δ2/Δ = −3,4/0,65 = −5,231 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (−2,462 − −5,231)/2 = 1,385 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 3,23 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.

ЗТК в узле A

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(22,5 − 18)/10 + 22,5/12 = (VB − 22,5)/2
2,325 = (VB − 22,5)/2 → VB = 27,15 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (27,15 − 22,5)/2 + 27,15/30 = 3,23 A

Ответ

Is = 3,23 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 2,583 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​ = 6 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​6 ΩA+−V2​12 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
6·I1 + 6(I1 − I2) = 30
12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 6(I2 − I1) = (−12)
−6·I1 + 21·I2 = −12

Решите

Δ = (12)(21) − (−6)(−6) = 216
I1 = Δ1/Δ = 558/216 = 2,583 A
I2 = Δ2/Δ = 36/216 = 0,1667 A

Ответ

I1 = 2,583 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,1352 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​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​30 ΩB+−V2​6 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
25·I1 + 2(I1 − I2) = 5
27·I1 − 2·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
15·I2 + 2(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 47·I2 − 30·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
15·I3 + 30(I3 − I2) = (−6)
−30·I2 + 45·I3 = −6

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 32625
I1 = Δ1/Δ = 5715/32625 = 0,1752 A
I2 = Δ2/Δ = −4410/32625 = −0,1352 A
I3 = Δ3/Δ = −7290/32625 = −0,2234 A

Ответ

I2 = −0,1352 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 10,59 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​2 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 = 8+2 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
VA = 30·5,455/(5+5,455) = 15,65 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15,65·2/10 = 3,13 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (15,65 − 3,13)/8 = 1,565 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 = 3,529 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·2/13,53 = −0,1478·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 1,565 − 0,1478·Is = 0
Is = 1,565/0,1478 = 10,59 A

Ответ

Is = 10,59 A
8.Метод наложения

Ответ: VR3 = 28,56 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​ = 4 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​36 VR3​25 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) = 25 ∥ 9 = 6,618 Ω
VA = 36·6,618/(3+6,618) = 24,77 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 24,77·5/9 = 13,76 V
VR3′ = VA − 0 = 24,77 − 0 = 24,77 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​25 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 = 2,679 Ω, поэтому левый путь — R2+2,679 = 6,679 Ω
Req = R4 ∥ 6,679 = 2,859 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·2,859 = −4,289 V
VA = VB·2,679/6,679 = −1,72 V
VR3″ = VA − 0 = −1,72 − 0 = −1,72 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​25 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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·6,679/11,68 = 13,72 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 13,72·2,679/6,679 = 5,505 V
VR3‴ = VA − 0 = 5,505 − 0 = 5,505 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 24,77 + (−1,72) + 5,505 = 28,56 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 10 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​ = 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 15 = 18,33 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 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) = 12·20/(4+20) = 10 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 5,533 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​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩКЗR2​20 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 30 = 38,57 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​20 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) = 20,57 + 5·8,571 = 63,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 63,43 + 5·30 = 213,4 V
IN​5,533 ARth​38,57 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 = 213,4/38,57 = 5,533 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 1,167 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

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/2 = 12

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/12 = 1,167 V

Ответ

Vin,max = 1,167 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,2 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 = 1 kΩ · 1 µF = 1 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−1,2)/1 = 1,2 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−1,2)·1/1 = 1,2 V

Ответ

Vout = 1,2 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 0,5956 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.

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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−10/4,7 = 0,5956 V

Ответ

vL = 0,5956 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 1,412 µF

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.

Требуемая постоянная времени

9,6 = 12·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(12/(12 − 9,6))
τ = 50/1,609 = 31,07 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 31,07/22 = 1,412 µF

Ответ

C = 1,412 µF

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