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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​6 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​36 V

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

V1 = 24 VIs = 4 AV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 15 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩIR1​R2​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 9 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−VR3​+−V1​36 VR4​15 ΩAR5​30 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 Ω
VR3 = V
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 = 5 V и Is = 8 mA I = 12 mA; при Vs = 4 V и Is = 4 mA I = 9 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 20 V и Is = 4 mA.

5 V, 8 mA → 12 mA4 V, 4 mA → 9 mAVs = 20 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​15 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

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

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAIs​5 ABRL​2 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩRL = 2 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 2,5 VRa​ = 10 kΩRb​ = 2 kΩ

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

Vin = 2,5 VRa = 10 kΩRb = 2 kΩR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = −3 VR = 100 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −3 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 100 ms.

Vin = −3 VR = 100 kΩC = 0,47 µFVsat = ±12 Vt = 100 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 2,2 kΩC68 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.

Vs = 6 VR1 = 6,8 kΩR2 = 2,2 kΩC = 68 µFt = 100 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 1 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 6 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 15 V? Найдите t.

Vs = 24 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 6 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,6807 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​2 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 2·9/(2+9) = 1,636 Ω
Req = R1 + 1,636 = 20 + 1,636 = 21,64 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/21,64 = 0,8319 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,8319·20 = 1,361 V
IR2 = VA/R2 = 1,361/2 = 0,6807 A

Ответ

IR2 = 0,6807 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3071 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​ = 25 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 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 = 12 + 6 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 6,429 Ω
R3 + 6,429 = 16,43 Ω
R2 ∥ 16,43 = 2,537 Ω
Req = R1 + 2,537 = 25 + 2,537 = 27,54 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/27,54 = 0,3632 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,3632·25 = 0,9212 V
IR2 = VA/R2 = 0,9212/3 = 0,3071 A

Ответ

IR2 = 0,3071 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,65 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​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/8 + (VA − 12)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 1,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,4583·VB = 3

Решите

Δ = (0,375)(0,4583) − (−0,125)(−0,125) = 0,1563
VA = Δ1/Δ = 1,063/0,1563 = 6,8 V
VB = Δ2/Δ = 1,313/0,1563 = 8,4 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 6,8)/8 = 0,65 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = −1,35 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​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​36 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 V, V2 = 36 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/5 + (VA − 24)/25 + (VA − VB)/20 = 0
0,29·VA − 0,05·VB = 0,96

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/15 + (VB − VA)/20 + (VB − 36)/3 = 4
−0,05·VA + 0,45·VB = 16

Решите

Δ = (0,29)(0,45) − (−0,05)(−0,05) = 0,128
VA = Δ1/Δ = 1,232/0,128 = 9,625 V
VB = Δ2/Δ = 4,688/0,128 = 36,63 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (9,625 − 36,63)/20 = −1,35 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,1333 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​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​18 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) = 9
18·I1 − 3·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
5·I2 + 3(I2 − I1) = (−18)
−3·I1 + 8·I2 = −18

Решите

Δ = (18)(8) − (−3)(−3) = 135
I1 = Δ1/Δ = 18/135 = 0,1333 A
I2 = Δ2/Δ = −297/135 = −2,2 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,1333 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR3 = 16,37 V

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​ = 2 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR4​15 ΩAR5​30 ΩB+−V2​5 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
2·I1 + 15(I1 − I2) = 36
17·I1 − 15·I2 = 36

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
4·I2 + 15(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 49·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) = (−5)
−30·I2 + 45·I3 = −5

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 12060
I1 = Δ1/Δ = 44730/12060 = 3,709 A
I2 = Δ2/Δ = 21750/12060 = 1,803 A
I3 = Δ3/Δ = 13160/12060 = 1,091 A

Ответ

IR3 = I3 = 1,091 A
VR3 = IR3·R3 = 1,091·15 = 16,37 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 41 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
5·k₁ + 8·k₂ = 12
4·k₁ + 4·k₂ = 9

Находим константы

Δ = (5)(4) − (8)(4) = −12
k₁ = Δ1/Δ = −24/−12 = 2
k₂ = Δ2/Δ = −3/−12 = 0,25
k₁ = 2 mA/V, k₂ = 0,25

Предсказываем новый ток

I = 2·20 + 0,25·4 = 41 mA

Ответ

I = 41 mA
8.Метод наложения

Ответ: V2 = 15 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​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 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 ∥ 30 = 10 Ω
VA = 15·10/(10+10) = 7,5 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,5·10/30 = 2,5 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​15 ΩAIs​6 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 = 6 Ω, поэтому левый путь — R2+6 = 26 Ω
Req = R4 ∥ 26 = 7,222 Ω
VB = −Is·Req = −6·7,222 = −43,33 V
VA = VB·6/26 = −10 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 = 6 Ω
VA‴ = V2·6/(10 + 20 + 6) = 0,1667·V2

Приравниваем VA к нулю

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 7,5 + (−10) + 0,1667·V2 = 0
V2 = 2,5/0,1667 = 15 V

Ответ

V2 = 15 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 11,75 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​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​15 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 8 = 11,75 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 38,93 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​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​8 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 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 4 = 10,06 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​8 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) = 2,909 + 5·6,061 = 33,21 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,21 + 5·4 = 53,21 V
Rth​ = 10,06 Ω+−Vth​53,21 VRL​2 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) = 53,21/(10,06 + 2) = 4,412 A
PL = IL²·RL = 4,412²·2 = 38,93 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,8333 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) = 2,5·2/(10 + 2) = 0,4167 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,4167·(1 + 22/22) = 0,8333 V

Ответ

Vout = 0,8333 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 6,383 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 = 100 kΩ · 0,47 µF = 47 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−3)/47 = 0,06383 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−3)·100/47 = 6,383 V

Ответ

Vout = 6,383 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 0,8612 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

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

Rth = R1 ∥ R2 = 6,8·2,2/(6,8 + 2,2) = 1,662 kΩ
vC(∞) = 6·2,2/(6,8 + 2,2) = 1,467 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,662·68 = 113 ms

Кривая заряда

vC(t) = 1,467·(1 − e−100/113) = 0,8612 V

Ответ

vC = 0,8612 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 22,87 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 33 µF = 33 ms
vC(t) = 24 + (6 − 24)·e−t/τ

Выразите время

15 = 24 + (−18)·e−t/τ → e−t/τ = (15 − 24)/(6 − 24) = 0,5
t = τ·ln((6 − 24)/(15 − 24)) = 33·ln(2) = 22,87 ms

Ответ

t = 22,87 ms

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