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 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​10 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBR6​12 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 20 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​15 Ω−+V1​24 VI1​R2​20 Ω+−V2​15 VR3​5 ΩA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩV2 = 15 VR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​2,5 A−+V2​24 V

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

V1 = 36 VIs = 2,5 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 20 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 Ω+−VR1​R2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​15 ΩAR5​12 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR1 на R1 с указанной полярностью.

V1 = 18 VV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 Ω
VR1 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​5 VR3​20 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​?

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

V1 = 5 VIs = 2,5 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 5.

R1 = 100 kΩAv = 5
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,3 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,9 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = −1,3 VV2 = 1,9 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 50 Ωt = 0L33 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 3 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.

i(0) = 3 AR = 50 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​20 Vt = 0R = 4,7 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 12,8 V? Найдите t.

Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 33 µFvC(0) = 2 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,429 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​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​10 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 = 3 + 10 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 2 + 7,879 = 9,879 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/9,879 = 2,429 A

Ответ

IR1 = 2,429 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 19,83 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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBR6​12 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 6,4 Ω
R3 + 6,4 = 16,4 Ω
R2 ∥ 16,4 = 7,834 Ω
Req = R1 + 7,834 = 12 + 7,834 = 19,83 Ω

Ответ

Req = 19,83 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I1 = −1,421 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

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − (−24))/15 + (VA − 15)/20 + VA/5 = 0

Находим VA

VA = ((−24)/15 + 15/20 + 0/5) / (1/15 + 1/20 + 1/5) = −0,85/0,3167 = −2,684 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I1 = ((−24) − VA)/R1 = ((−24) − (−2,684))/15 = −1,421 A

Ответ

I1 = −1,421 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 1,165 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​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​2,5 A−+V2​24 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 36 V, V2 = −24 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/25 + (VA − 36)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,44·VA − 0,06667·VB = 12

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/20 + (VB − VA)/15 + (VB − (−24))/6 = 2,5
−0,06667·VA + 0,2833·VB = −1,5

Решите

Δ = (0,44)(0,2833) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1202
VA = Δ1/Δ = 3,3/0,1202 = 27,45 V
VB = Δ2/Δ = 0,14/0,1202 = 1,165 V

Ответ

VB = 1,165 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = −0,2087 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​ = 5 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​10 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
5·I1 + 10(I1 − I2) = 6
15·I1 − 10·I2 = 6

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
12·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 22·I2 = −18

Решите

Δ = (15)(22) − (−10)(−10) = 230
I1 = Δ1/Δ = −48/230 = −0,2087 A
I2 = Δ2/Δ = −210/230 = −0,913 A

Ответ

I1 = −0,2087 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 4,072 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​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​15 ΩAR5​12 ΩB+−V2​36 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
25·I1 + 15(I1 − I2) = 18
40·I1 − 15·I2 = 18

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
2·I2 + 15(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 29·I2 − 12·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 + 12(I3 − I2) = (−36)
−12·I2 + 22·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 14810
I1 = Δ1/Δ = 2412/14810 = 0,1629 A
I2 = Δ2/Δ = −11340/14810 = −0,7657 A
I3 = Δ3/Δ = −30420/14810 = −2,054 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,1629 A
VR1 = IR1·R1 = 0,1629·25 = 4,072 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 1,252 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​12 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 = 4+6 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
VA = 18·5,455/(5+5,455) = 9,391 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,391·6/10 = 5,635 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 9,391)/5 = 1,722 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​12 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 7,529 = 3,339 Ω
VB = Is·Req = 1,5·3,339 = 5,009 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,009·3,529/7,529 = 2,348 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,348)/5 = −0,4696 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,722 + (−0,4696) = 1,252 A

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

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 7 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​ = 8 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​5 VR3​20 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) = 20 ∥ 18 = 9,474 Ω
VA = 5·9,474/(5+9,474) = 3,273 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,273·10/18 = 1,818 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​20 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R3 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 12 Ω
Req = R4 ∥ 12 = 5,455 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·5,455 = −13,64 V
VA = VB·4/12 = −4,545 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 = 4 Ω
VA‴ = V2·4/(10 + 8 + 4) = 0,1818·V2

Приравниваем VA к нулю

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 3,273 + (−4,545) + 0,1818·V2 = 0
V2 = 1,273/0,1818 = 7 V

Ответ

V2 = 7 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 17,5 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​ = 3 ΩR3​ = 15 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 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 15 = 17,5 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 4,151 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​ = 8 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​30 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 25 = 31,32 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​30 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) = 4,737 + 4·6,316 = 30 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30 + 4·25 = 130 V
IN​4,151 ARth​31,32 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 = 130/31,32 = 4,151 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 400 kΩ

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.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (5 − 1)·100 = 400 kΩ

Ответ

Rf = 400 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 5,704 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 = −1,3/1 = −1,3 mA
I2 = V2/R2 = 1,9/22 = 0,08636 mA
If = I1 + I2 = −1,214 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −4,7·(−1,214) = 5,704 V

Ответ

Vout = 5,704 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 32,97 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.

Постоянная времени

τ = L/R = 33 mH / 50 Ω = 0,66 ms

Убывание тока

i(t) = 3·e−1/0,66 = 0,6593 A
vR = R·i = 50·0,6593 = 32,97 V

Ответ

vR = 32,97 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 142,1 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 33 µF = 155,1 ms
vC(t) = 20 + (2 − 20)·e−t/τ

Выразите время

12,8 = 20 + (−18)·e−t/τ → e−t/τ = (12,8 − 20)/(2 − 20) = 0,4
t = τ·ln((2 − 20)/(12,8 − 20)) = 155,1·ln(2,5) = 142,1 ms

Ответ

t = 142,1 ms

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