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​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​6 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 ΩR5 = 8 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

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

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​?

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

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 ΩVA = 5,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​15 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

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

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

V1 = 15 VV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 8 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩIR2​AR4​6 ΩBIs​4 A

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​25 ΩIR3​AIs​1 AB+−V2​?

Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = −1 VRa​ = 10 kΩRb​ = 10 kΩ

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

Vin = −1 VRa = 10 kΩRb = 10 kΩR1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −2 VR1​ = 47 kΩV2​ = −0,3 VR2​ = 2 kΩ

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

V1 = −2 VV2 = −0,3 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R = 20 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 10 ms.

Vs = 6 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.

Vs = 5 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 Vt = 400 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,239 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​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​12 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 12·28/(12+28) = 8,4 Ω
Req = R1 + 8,4 = 5 + 8,4 = 13,4 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/13,4 = 2,239 A

Ответ

IR1 = 2,239 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 13,24 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​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​20 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 8,235 Ω
R3 + 8,235 = 18,24 Ω
R2 ∥ 18,24 = 7,237 Ω
Req = R1 + 7,237 = 6 + 7,237 = 13,24 Ω

Ответ

Req = 13,24 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = −25,37 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​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 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/4 + (VA − 10)/5 + (VA − VB)/15 = 0
0,5167·VA − 0,06667·VB = 2

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)/15 = (−3)
−0,06667·VA + 0,1167·VB = −3

Решите

Δ = (0,5167)(0,1167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,05583
VA = Δ1/Δ = 0,03333/0,05583 = 0,597 V
VB = Δ2/Δ = −1,417/0,05583 = −25,37 V

Ответ

VB = −25,37 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 2,871 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
(5,5 − 6)/3 + 5,5/8 = (VB − 5,5)/12
0,5208 = (VB − 5,5)/12 → VB = 11,75 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (11,75 − 5,5)/12 + 11,75/5 = 2,871 A

Ответ

Is = 2,871 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −1,708 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​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​15 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
6·I1 + 15(I1 − I2) = 9
21·I1 − 15·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 15(I2 − I1) = (−24)
−15·I1 + 21·I2 = −24

Решите

Δ = (21)(21) − (−15)(−15) = 216
I1 = Δ1/Δ = −171/216 = −0,7917 A
I2 = Δ2/Δ = −369/216 = −1,708 A

Ответ

I2 = −1,708 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −0,2416 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​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR4​6 ΩAR5​8 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
20·I1 + 6(I1 − I2) = 15
26·I1 − 6·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 6(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 29·I2 − 8·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 + 8(I3 − I2) = (−6)
−8·I2 + 23·I3 = −6

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 14850
I1 = Δ1/Δ = 8757/14850 = 0,5897 A
I2 = Δ2/Δ = 822/14850 = 0,05535 A
I3 = Δ3/Δ = −3588/14850 = −0,2416 A

Ответ

I3 = −0,2416 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = −1,5 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​6 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 = 12+6 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·18/(10+18) = 6,429 Ω
VA = 30·6,429/(15+6,429) = 9 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9·6/18 = 3 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 9)/10 = −0,9 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​10 ΩAR4​6 ΩBIs​4 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.

R1 ∥ R2 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 18 = 4,5 Ω
VB = Is·Req = 4·4,5 = 18 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 18·6/18 = 6 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 6)/10 = −0,6 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0,9) + (−0,6) = −1,5 A

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

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 4,8 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​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 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 ∥ 42 = 15,67 Ω
VA = 15·15,67/(25+15,67) = 5,78 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,78·30/42 = 4,128 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​25 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R3 = 12,5 Ω, поэтому левый путь — R2+12,5 = 24,5 Ω
Req = R4 ∥ 24,5 = 13,49 Ω
VB = −Is·Req = −1·13,49 = −13,49 V
VA = VB·12,5/24,5 = −6,881 V

Случай 3 · действует только V2, на один вольт

V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.

R1 ∥ R3 = 12,5 Ω
VA‴ = V2·12,5/(30 + 12 + 12,5) = 0,2294·V2

Приравниваем VA к нулю

При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 5,78 + (−6,881) + 0,2294·V2 = 0
V2 = 1,101/0,2294 = 4,8 V

Ответ

V2 = 4,8 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 10,71 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​5 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 3 = 4,429 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​5 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) = 15·5/(2+5) = 10,71 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 2,313 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​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​10 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 4 = 10,67 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​2 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) = 3,333 + 2·6,667 = 16,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,67 + 2·4 = 24,67 V
IN​2,313 ARth​10,67 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 = 24,67/10,67 = 2,313 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,675 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) = −1·10/(10 + 10) = −0,5 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −0,5·(1 + 4,7/2) = −1,675 V

Ответ

Vout = −1,675 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,3851 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 = −2/47 = −0,04255 mA
I2 = V2/R2 = −0,3/2 = −0,15 mA
If = I1 + I2 = −0,1926 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −2·(−0,1926) = 0,3851 V

Ответ

Vout = 0,3851 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2842 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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,3·(1 − e−10/3,4) = 0,2842 A

Ответ

i = 0,2842 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 5,483 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 5 + (12 − 5)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(400) = 5 + (7)·e−400/149,6 = 5,483 V

Ответ

vC = 5,483 V

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