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 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​2 ΩBR6​3 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 ΩR5 = 15 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩIR1​−+Vs​ = 4 V+−V1​10 VR2​3 ΩAR3​6 ΩBIs​3 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 ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 10 VIs = 3 AVs = 4 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 8 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​5 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 9 VV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​?

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

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 Ω−+VR2​R4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩAIs​3 AB+−V2​10 V

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

V1 = 30 VIs = 3 AV2 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​0,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 36 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 2,5 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 4,7 kΩ

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

Vin = 2,5 VRa = 4,7 kΩRb = 4,7 kΩR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = −0,1 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,1 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = −0,1 VV2 = 1,1 VR1 = 1 kΩR2 = 100 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 100 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 2 ms.

Vs = 9 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 Vt = 0R = 4,7 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 500 ms.

Vs = 6 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 Vt = 500 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,5628 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​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​5 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 = 8 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 12·13/(12+13) = 6,24 Ω
Req = R1 + 6,24 = 3 + 6,24 = 9,24 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/9,24 = 1,082 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,082·3 = 6,753 V
IR2 = VA/R2 = 6,753/12 = 0,5628 A

Ответ

IR2 = 0,5628 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 11,85 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​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​2 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 1,8 Ω
R3 + 1,8 = 21,8 Ω
R2 ∥ 21,8 = 5,852 Ω
Req = R1 + 5,852 = 6 + 5,852 = 11,85 Ω

Ответ

Req = 11,85 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 84,44 W

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

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/10 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0,3667·VA − 0,1·VB = 1,667

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)/10 = 3
−0,1·VA + 0,15·VB = 3

Решите

Δ = (0,3667)(0,15) − (−0,1)(−0,1) = 0,045
VA = Δ1/Δ = 0,55/0,045 = 12,22 V
VB = Δ2/Δ = 1,267/0,045 = 28,15 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 28,15·3 = 84,44 W

Ответ

PIs = 84,44 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,6667 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.

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 + 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 10)/6 + VA/3 + (VA + 4)/6 = 3
VA·(1/6 + 1/3 + 1/6) = 3 + 10/6 − 4/6 = 4
VA = 4/0,6667 = 6 V
VB = 10 V

Ток через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 6)/6 = 0,6667 A

Ответ

IR1 = 0,6667 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,85 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​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​5 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
8·I1 + 5(I1 − I2) = 15
13·I1 − 5·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
20·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 25·I2 = −24

Решите

Δ = (13)(25) − (−5)(−5) = 300
I1 = Δ1/Δ = 255/300 = 0,85 A
I2 = Δ2/Δ = −237/300 = −0,79 A

Ответ

I1 = 0,85 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −0,5427 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​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​10 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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 9
17·I1 − 2·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
8·I2 + 2(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 35·I2 − 25·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
10·I3 + 25(I3 − I2) = (−10)
−25·I2 + 35·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10060
I1 = Δ1/Δ = 4900/10060 = 0,4871 A
I2 = Δ2/Δ = −3620/10060 = −0,3598 A
I3 = Δ3/Δ = −5460/10060 = −0,5427 A

Ответ

I3 = −0,5427 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 3,6 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​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​3 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 = 10+3 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·13/(6+13) = 4,105 Ω
VA = 18·4,105/(4+4,105) = 9,117 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,117·3/13 = 2,104 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (9,117 − 2,104)/10 = 0,7013 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 = 2,4 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·3/15,4 = −0,1948·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,7013 − 0,1948·Is = 0
Is = 0,7013/0,1948 = 3,6 A

Ответ

Is = 3,6 A
8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −5,25 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​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 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 ∥ 27 = 9,643 Ω
VA = 30·9,643/(8+9,643) = 16,4 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 16,4·25/27 = 15,18 V
VR2′ = VB − VA = 15,18 − 16,4 = −1,215 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​15 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 = 5,217 Ω, поэтому левый путь — R2+5,217 = 7,217 Ω
Req = R4 ∥ 7,217 = 5,601 Ω
VB = Is·Req = (−3)·5,601 = −16,8 V
VA = VB·5,217/7,217 = −12,15 V
VR2″ = VB − VA = −16,8 − −12,15 = −4,656 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​15 ΩAОБРЫВB+−V2​10 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·7,217/32,22 = 2,24 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,24·5,217/7,217 = 1,619 V
VR2‴ = VB − VA = 2,24 − 1,619 = 0,6208 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−1,215) + (−4,656) + 0,6208 = −5,25 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 4,8 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​ = 8 ΩR3​ = 6 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 6 = 7,6 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​2 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) = 24·2/(8+2) = 4,8 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 31,83 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​ = 25 ΩКЗR2​12 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 25 = 31,67 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​0,5 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) = 16 + 0,5·6,667 = 19,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,33 + 0,5·25 = 31,83 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 3,92 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 входе +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2,5·4,7/(4,7 + 4,7) = 1,25 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1,25·(1 + 47/22) = 3,92 V

Ответ

Vout = 3,92 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 8,9 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 = −0,1/1 = −0,1 mA
I2 = V2/R2 = 1,1/100 = 0,011 mA
If = I1 + I2 = −0,089 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −100·(−0,089) = 8,9 V

Ответ

Vout = 8,9 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,06628 A

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 = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 9/100 = 0,09 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,09·(1 − e−2/1,5) = 0,06628 A

Ответ

i = 0,06628 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 7,456 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 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 = 6 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 47 µF = 220,9 ms
vC(t) = 6 + (20 − 6)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(500) = 6 + (14)·e−500/220,9 = 7,456 V

Ответ

vC = 7,456 V

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