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​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​5 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​25 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 ΩR5 = 8 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 5 VIs​5 AAR1​4 ΩR2​10 ΩB

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VA (относительно земли).

Is = 5 AVs = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 10 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​6 ΩAR5​8 ΩBIs​1,5 A−+V2​12 V

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

V1 = 36 VIs = 1,5 AV2 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​4 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​8 ΩAR5​3 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 Ω
I1 = 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 = 15 V и Is = 3 mA I = 20,25 mA; при Vs = 10 V и Is = 10 mA I = 7,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 8 V и Is = 5 mA.

15 V, 3 mA → 20,25 mA10 V, 10 mA → 7,5 mAVs = 8 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​5 V

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

V1 = 30 VIs = 2,5 AV2 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​4 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,3 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 10 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 0,2 VV2 = 1,3 VR1 = R3 = 4,7 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −0,9 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −0,9 VR2​ = 1 kΩ

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

V1 = −0,9 VV2 = −0,9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 1 kΩC68 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.

Vs = 9 VR1 = 6,8 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 50 ms.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 Vt = 50 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8,917 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​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​5 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 5·7/(5+7) = 2,917 Ω
Req = R1 + 2,917 = 6 + 2,917 = 8,917 Ω

Ответ

Req = 8,917 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 4,718 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​ = 20 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBR6​25 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 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 5,077 Ω
R3 + 5,077 = 25,08 Ω
R2 ∥ 25,08 = 2,679 Ω
Req = R1 + 2,679 = 3 + 2,679 = 5,679 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/5,679 = 5,282 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 5,282·3 = 14,15 V
IR2 = VA/R2 = 14,15/3 = 4,718 A

Ответ

IR2 = 4,718 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 12,86 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.

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 + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/4 + (VA + 5)/10 = 5
VA = (5 − 5/10)/(1/4 + 1/10) = 12,86 V
VB = 12,86 + 5 = 17,86 V

Ответ

VA = 12,86 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 0,9693 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​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​6 ΩAR5​8 ΩBIs​1,5 A−+V2​12 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 36 V, V2 = −12 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 − 36)/25 + (VA − VB)/3 = 0
0,54·VA − 0,3333·VB = 1,44

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/8 + (VB − VA)/3 + (VB − (−12))/3 = 1,5
−0,3333·VA + 0,7917·VB = −2,5

Решите

Δ = (0,54)(0,7917) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3164
VA = Δ1/Δ = 0,3067/0,3164 = 0,9693 V
VB = Δ2/Δ = −0,87/0,3164 = −2,75 V

Ответ

VA = 0,9693 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,6522 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​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​4 ΩA+−V2​30 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 + 4(I1 − I2) = 15
16·I1 − 4·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 + 4(I2 − I1) = (−30)
−4·I1 + 24·I2 = −30

Решите

Δ = (16)(24) − (−4)(−4) = 368
I1 = Δ1/Δ = 240/368 = 0,6522 A
I2 = Δ2/Δ = −420/368 = −1,141 A

Ответ

I1 = 0,6522 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 2,059 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​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​8 ΩAR5​3 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 30
16·I1 − 8·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 8(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 36·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
10·I3 + 3(I3 − I2) = (−15)
−3·I2 + 13·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6512
I1 = Δ1/Δ = 13410/6512 = 2,059 A
I2 = Δ2/Δ = 2400/6512 = 0,3686 A
I3 = Δ3/Δ = −6960/6512 = −1,069 A

Ответ

I1 = 2,059 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 8,25 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
15·k₁ + 3·k₂ = 20,25
10·k₁ + 10·k₂ = 7,5

Находим константы

Δ = (15)(10) − (3)(10) = 120
k₁ = Δ1/Δ = 180/120 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −90/120 = −0,75
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,75

Предсказываем новый ток

I = 1,5·8 + (−0,75)·5 = 8,25 mA

Ответ

I = 8,25 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR3 = −2,014 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​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​8 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) = 8 ∥ 14 = 5,091 Ω
VA = 30·5,091/(8+5,091) = 11,67 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,67·6/14 = 5 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 11,67)/8 = −1,458 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​8 ΩAIs​2,5 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 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 12 Ω
Req = R4 ∥ 12 = 4 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4 = 10 V
VA = VB·4/12 = 3,333 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 3,333)/8 = −0,4167 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​8 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·12/18 = 3,333 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,333·4/12 = 1,111 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 1,111)/8 = −0,1389 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−1,458) + (−0,4167) + (−0,1389) = −2,014 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 6 Ω

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​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 42,92 W

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​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​25 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 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 25 = 29,17 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​4 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) = 5 + 4·4,167 = 21,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,67 + 4·25 = 121,7 V
Rth​ = 29,17 Ω+−Vth​121,7 VRL​3 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 121,7/(29,17 + 3) = 3,782 A
PL = IL²·RL = 3,782²·3 = 42,92 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 2,34 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 входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,3·10/(4,7 + 10) = 0,8844 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(0,2 − 0,8844)/4,7 = (0,8844 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/4,7)·(1,3 − 0,2) = 2,34 V

Ответ

Vout = 2,34 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,091 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 = −0,9/4,7 = −0,1915 mA
I2 = V2/R2 = −0,9/1 = −0,9 mA
If = I1 + I2 = −1,091 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −1·(−1,091) = 1,091 V

Ответ

Vout = 1,091 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: τ = 59,28 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 6,8·1/(6,8 + 1) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 9·1/(6,8 + 1) = 1,154 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 0,8718·68 = 59,28 ms

Ответ

τ = 59,28 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 3,493 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 22 µF = 72,6 ms
vC(t) = 5 + (2 − 5)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(50) = 5 + (−3)·e−50/72,6 = 3,493 V

Ответ

vC = 3,493 V

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