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​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​10 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

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

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

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 7,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 ΩVA = 7,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​8 ΩAR5​3 ΩIR5​B+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBIs​?

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

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 VR3​15 Ω−+VR3​AIs​5 AB−+V2​9 V

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

V1 = 18 VIs = 5 AV2 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 6 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 4,5 VRa​ = 10 kΩRb​ = 2 kΩ

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

Vin = 4,5 VRa = 10 kΩRb = 2 kΩR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,3 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = 0,2 VV2 = 1,3 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 100 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 11,2 V? Найдите t.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,2449 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​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​12 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 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 2 + 8,889 = 10,89 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/10,89 = 0,551 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,551·2 = 4,898 V
IR2 = VA/R2 = 4,898/20 = 0,2449 A

Ответ

IR2 = 0,2449 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 10,41 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​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​10 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 = 12 + 10 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 7,765 Ω
R3 + 7,765 = 13,76 Ω
R2 ∥ 13,76 = 6,411 Ω
Req = R1 + 6,411 = 4 + 6,411 = 10,41 Ω

Ответ

Req = 10,41 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 12,35 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​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​4 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 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/6 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 2,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,325·VB = 4

Решите

Δ = (0,375)(0,325) − (−0,125)(−0,125) = 0,1063
VA = Δ1/Δ = 1,313/0,1063 = 12,35 V
VB = Δ2/Δ = 1,813/0,1063 = 17,06 V

Ответ

VA = 12,35 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 3,875 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
(7,5 − 9)/2 + 7,5/3 = (VB − 7,5)/3
1,75 = (VB − 7,5)/3 → VB = 12,75 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (12,75 − 7,5)/3 + 12,75/6 = 3,875 A

Ответ

Is = 3,875 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,5882 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​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩA+−V2​9 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 24
18·I1 − 3·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
6·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 9·I2 = −9

Решите

Δ = (18)(9) − (−3)(−3) = 153
I1 = Δ1/Δ = 189/153 = 1,235 A
I2 = Δ2/Δ = −90/153 = −0,5882 A

Ответ

I2 = −0,5882 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 4,452 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 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​8 ΩAR5​3 ΩB+−V2​24 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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 9
14·I1 − 8·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
6·I2 + 8(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 17·I2 − 3·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
2·I3 + 3(I3 − I2) = (−24)
−3·I2 + 5·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 744
I1 = Δ1/Δ = 108/744 = 0,1452 A
I2 = Δ2/Δ = −648/744 = −0,871 A
I3 = Δ3/Δ = −3960/744 = −5,323 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 4,452 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 0,2667 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​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​15 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 = 4+15 = 19 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·19/(2+19) = 1,81 Ω
VA = 24·1,81/(10+1,81) = 3,677 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,677·15/19 = 2,903 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,677 − 2,903)/4 = 0,1935 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 = 1,667 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·15/20,67 = −0,7258·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,1935 − 0,7258·Is = 0
Is = 0,1935/0,7258 = 0,2667 A

Ответ

Is = 0,2667 A
8.Метод наложения

Ответ: VR3 = 4,594 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​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 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 ∥ 32 = 10,21 Ω
VA = 18·10,21/(5+10,21) = 12,08 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 12,08·30/32 = 11,33 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 12,08 = −12,08 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​15 ΩAIs​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 = 3,75 Ω, поэтому левый путь — R2+3,75 = 5,75 Ω
Req = R4 ∥ 5,75 = 4,825 Ω
VB = Is·Req = (−5)·4,825 = −24,13 V
VA = VB·3,75/5,75 = −15,73 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − −15,73 = 15,73 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​15 ΩAОБРЫВB−+V2​9 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·5,75/35,75 = −1,448 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −1,448·3,75/5,75 = −0,9441 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − −0,9441 = 0,9441 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−12,08) + 15,73 + 0,9441 = 4,594 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 10,29 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​ = 2 ΩКЗR2​12 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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 2 = 3,714 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​12 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) = 12·12/(2+12) = 10,29 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = −5,956 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​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​5 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 15 = 19,29 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAIs​6 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) = 0,8571 + (−6)·4,286 = −24,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −24,86 + (−6)·15 = −114,9 V
IN​5,956 ARth​19,29 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 = −114,9/19,29 = −5,956 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 2,25 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) = 4,5·2/(10 + 2) = 0,75 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,75·(1 + 2/1) = 2,25 V

Ответ

Vout = 2,25 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,016 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 = 0,2/4,7 = 0,04255 mA
I2 = V2/R2 = 1,3/22 = 0,05909 mA
If = I1 + I2 = 0,1016 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −10·0,1016 = −1,016 V

Ответ

Vout = −1,016 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 200 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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·100·2² = 200 mJ

Ответ

W(∞) = 200 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 160,9 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 12 + (8 − 12)·e−t/τ

Выразите время

11,2 = 12 + (−4)·e−t/τ → e−t/τ = (11,2 − 12)/(8 − 12) = 0,2
t = τ·ln((8 − 12)/(11,2 − 12)) = 100·ln(5) = 160,9 ms

Ответ

t = 160,9 ms

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