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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​5 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBR6​15 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 ΩR5 = 4 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

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

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 6,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 ΩVA = 6,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 Ω+−VR2​+−V1​30 VR3​10 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 30 VV2 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 15 ΩIR1​R2​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​10 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 10 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​20 Ω+−VR4​BIs​1 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 Ω+−VR2​R4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩAIs​6 AB−+V2​10 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 15 VIs = 6 AV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 30 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAIs​0,5 ABRL​20 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩRL = 20 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 22 kΩRf = 100 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = 1,3 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = 1,3 VV2 = 1 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 20 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 2 ms, в mJ.

Vs = 9 VR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 11,5 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 15 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 16 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​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​8 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 12 + 4 = 16 Ω

Ответ

Req = 16 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 29,24 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​ = 25 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBR6​15 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 4,56 Ω
R3 + 4,56 = 6,56 Ω
R2 ∥ 6,56 = 4,241 Ω
Req = R1 + 4,241 = 25 + 4,241 = 29,24 Ω

Ответ

Req = 29,24 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 1,331 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​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 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/12 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/8 = 0
0,7083·VA − 0,125·VB = 7,5

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 = (0,7083)(0,4583) − (−0,125)(−0,125) = 0,309
VA = Δ1/Δ = 3,813/0,309 = 12,34 V
VB = Δ2/Δ = 3,063/0,309 = 9,91 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 12,34)/2 = 1,331 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 1,561 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
(6,5 − 6)/10 + 6,5/15 = (VB − 6,5)/20
0,4833 = (VB − 6,5)/20 → VB = 16,17 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (16,17 − 6,5)/20 + 16,17/15 = 1,561 A

Ответ

Is = 1,561 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = −9 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​ = 15 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​10 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
15·I1 + 10(I1 − I2) = 30
25·I1 − 10·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−30)
−10·I1 + 16·I2 = −30

Решите

Δ = (25)(16) − (−10)(−10) = 300
I1 = Δ1/Δ = 180/300 = 0,6 A
I2 = Δ2/Δ = −450/300 = −1,5 A

Ответ

IR2 = I2 = −1,5 A
VR2 = IR2·R2 = −1,5·6 = −9 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,2338 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​10 ΩB+−V2​12 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
15·I1 + 20(I1 − I2) = 10
35·I1 − 20·I2 = 10

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
20·I2 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 50·I2 − 10·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
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 14·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 15400
I1 = Δ1/Δ = 3600/15400 = 0,2338 A
I2 = Δ2/Δ = −1400/15400 = −0,09091 A
I3 = Δ3/Δ = −14200/15400 = −0,9221 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,2338 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = 14,76 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​20 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 = 10+20 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
VA = 15·7,5/(3+7,5) = 10,71 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,71·20/30 = 7,143 V
VR4′ = VB − 0 = 7,143 − 0 = 7,143 V
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​1 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 12,31 = 7,619 Ω
VB = Is·Req = 1·7,619 = 7,619 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,619·2,308/12,31 = 1,429 V
VR4″ = VB − 0 = 7,619 − 0 = 7,619 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 7,143 + 7,619 = 14,76 V

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = 30,79 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​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​3 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) = 3 ∥ 36 = 2,769 Ω
VA = 15·2,769/(6+2,769) = 4,737 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,737·30/36 = 3,947 V
VR2′ = VA − VB = 4,737 − 3,947 = 0,7895 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​3 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.

R1 ∥ R3 = 2 Ω, поэтому левый путь — R2+2 = 8 Ω
Req = R4 ∥ 8 = 6,316 Ω
VB = Is·Req = (−6)·6,316 = −37,89 V
VA = VB·2/8 = −9,474 V
VR2″ = VA − VB = −9,474 − −37,89 = 28,42 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​3 ΩAОБРЫВB−+V2​10 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·8/38 = −2,105 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,105·2/8 = −0,5263 V
VR2‴ = VA − VB = −0,5263 − −2,105 = 1,579 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,7895 + 28,42 + 1,579 = 30,79 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 10,8 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​ = 8 ΩR3​ = 6 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 6 = 10,8 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 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) = 18·12/(8+12) = 10,8 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,2613 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​ = 5 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 5 = 11,32 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAIs​0,5 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) = 2,526 + 0,5·6,316 = 5,684 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,684 + 0,5·5 = 8,184 V
Rth​ = 11,32 Ω+−Vth​8,184 VRL​20 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) = 8,184/(11,32 + 20) = 0,2613 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 2,525 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.

Коэффициент усиления

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/22 = 5,545

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/5,545 = 2,525 V

Ответ

Vin,max = 2,525 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,768 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 = 1,3/22 = 0,05909 mA
I2 = V2/R2 = 1/47 = 0,02128 mA
If = I1 + I2 = 0,08037 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −22·0,08037 = −1,768 V

Ответ

Vout = −1,768 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 1,649 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 = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 9/20 = 0,45 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,45·(1 − e−2/1,65) = 0,3161 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·33·0,3161² = 1,649 mJ

Ответ

W = 1,649 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1204 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 10 + (15 − 10)·e−t/τ

Выразите время

11,5 = 10 + (5)·e−t/τ → e−t/τ = (11,5 − 10)/(15 − 10) = 0,3
t = τ·ln((15 − 10)/(11,5 − 10)) = 1000·ln(3,333) = 1204 ms

Ответ

t = 1204 ms

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