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 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 ΩR5 = 3 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​1 A

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

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​8 ΩAR5​25 ΩBIs​5 A+−V2​5 V

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

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩIR2​+−V1​15 VR3​4 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
IR2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR4​10 ΩAR5​30 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 30 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​8 ΩIR4​BIs​1,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR4, потребляемую R4.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
PR4 = W
8.Метод наложенияСложная
линейная цепьV1​V2​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 23 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 29,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 11 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.

номинальные значения: I = 23 mA2·V1: I = 29,5 mA−Is: I = 11 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 31.

R1 = 1 kΩAv = 31
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 1 µFVin​ = 2,6 VR = 4,7 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 2,6 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 5 ms.

Vin = 2,6 VR = 4,7 kΩC = 1 µFVsat = ±14 Vt = 5 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 15 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 95% конечного значения? Найдите t.

Vs = 9 VR = 15 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 4,7 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 10 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 9,3 V? Найдите t.

Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 22 µFvC(0) = 10 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​4 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 5 + 3 = 8 Ω

Ответ

Req = 8 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,2992 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​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBR6​30 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 = 3 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 8,8 Ω
R3 + 8,8 = 14,8 Ω
R2 ∥ 14,8 = 5,968 Ω
Req = R1 + 5,968 = 6 + 5,968 = 11,97 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/11,97 = 0,5013 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,5013·6 = 2,992 V
IR2 = VA/R2 = 2,992/10 = 0,2992 A

Ответ

IR2 = 0,2992 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −0,3148 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​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​1 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/5 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,2·VA − 0,5·VB = 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/12 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,5833·VB = 1

Решите

Δ = (1,2)(0,5833) − (−0,5)(−0,5) = 0,45
VA = Δ1/Δ = 3,417/0,45 = 7,593 V
VB = Δ2/Δ = 3,7/0,45 = 8,222 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (7,593 − 8,222)/2 = −0,3148 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = −2,944 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​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​8 ΩAR5​25 ΩBIs​5 A+−V2​5 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = 5 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/8 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,425·VA − 0,25·VB = 0,3

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/25 + (VB − VA)/4 + (VB − 5)/30 = 5
−0,25·VA + 0,3233·VB = 5,167

Решите

Δ = (0,425)(0,3233) − (−0,25)(−0,25) = 0,07492
VA = Δ1/Δ = 1,389/0,07492 = 18,54 V
VB = Δ2/Δ = 2,271/0,07492 = 30,31 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (18,54 − 30,31)/4 = −2,944 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,1852 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​ = 3 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​4 ΩA+−V2​10 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
3·I1 + 4(I1 − I2) = 15
7·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
6·I2 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 10·I2 = −10

Решите

Δ = (7)(10) − (−4)(−4) = 54
I1 = Δ1/Δ = 110/54 = 2,037 A
I2 = Δ2/Δ = −10/54 = −0,1852 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,1852 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 2,7 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​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR4​10 ΩAR5​30 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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 36
16·I1 − 10·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
3·I2 + 10(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 43·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
20·I3 + 30(I3 − I2) = (−15)
−30·I2 + 50·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 15000
I1 = Δ1/Δ = 40500/15000 = 2,7 A
I2 = Δ2/Δ = 10800/15000 = 0,72 A
I3 = Δ3/Δ = 1980/15000 = 0,132 A

Ответ

IR1 = I1 = 2,7 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR4 = 14,09 W

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​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​8 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 = 20+8 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·28/(8+28) = 6,222 Ω
VA = 18·6,222/(15+6,222) = 5,277 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,277·8/28 = 1,508 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,508 − 0)/8 = 0,1885 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​8 ΩAR4​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 25,22 = 6,073 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,073 = 9,11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,11·5,217/25,22 = 1,885 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (9,11 − 0)/8 = 1,139 A

Складываем вклады токов

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,1885 + 1,139 = 1,327 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR4 = IR4²·R4 = 1,327²·8 = 14,09 W

Ответ

PR4 = 14,09 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 10,66 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: I = 12,5 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 измерения через вклады

Каждый вклад пропорционален своему источнику.

I₁ + I₂ + I₃ = 23
2·I₁ + I₂ + I₃ = 29,5
I₁ + I₂ − I₃ = 11

Находим вклады

I₁ = 29,5 − 23 = 6,5 mA
I₃ = (23 − 11)/2 = 6 mA
I₂ = 23 − 6,5 − 6 = 10,5 mA

Отключаем V₂

I = I₁ + I₃ = 6,5 + 6 = 12,5 mA

Ответ

I = 12,5 mA
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 8 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​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 8 = 10,67 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​8 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) = 12·8/(4+8) = 8 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 5,462 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​ = 15 ΩR3​ = 6 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 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) = 4,5 + 5·3,75 = 23,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,25 + 5·6 = 53,25 V
IN​5,462 ARth​9,75 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 = 53,25/9,75 = 5,462 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 30 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 = (31 − 1)·1 = 30 kΩ

Ответ

Rf = 30 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,766 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 = 4,7 kΩ · 1 µF = 4,7 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −2,6/4,7 = −0,5532 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −2,6·5/4,7 = −2,766 V

Ответ

Vout = −2,766 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1,997 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.

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 = 10 mH / 15 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0,6 A

Выразите время

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −0,6667·ln(0,05) = 1,997 ms

Ответ

t = 1,997 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 124,5 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 22 µF = 103,4 ms
vC(t) = 9 + (10 − 9)·e−t/τ

Выразите время

9,3 = 9 + (1)·e−t/τ → e−t/τ = (9,3 − 9)/(10 − 9) = 0,3
t = τ·ln((10 − 9)/(9,3 − 9)) = 103,4·ln(3,333) = 124,5 ms

Ответ

t = 124,5 ms

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