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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​6 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

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

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 Ω−+Vs​ = 5 V+−V1​24 VR2​30 ΩAR3​12 ΩBIs​0,5 A

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).

V1 = 24 VIs = 0,5 AVs = 5 VR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR4​25 ΩAR5​6 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 ΩR5 = 6 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩIR2​AR4​5 ΩBIs​1 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR2, потребляемую R2.

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
PR2 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​30 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

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

V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 10.

R1 = 4,7 kΩAv = 10
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −0,3 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = 0,7 VV2 = −0,3 VR1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 22 ΩL22 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 75% конечного значения? Найдите t.

Vs = 15 VR = 22 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 13,5 V? Найдите t.

Vs = 9 VR = 10 kΩC = 10 µFvC(0) = 18 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 16,86 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​6 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 12·16/(12+16) = 6,857 Ω
Req = R1 + 6,857 = 10 + 6,857 = 16,86 Ω

Ответ

Req = 16,86 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3067 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​25 ΩAR4​10 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 = 12 + 25 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 7,872 Ω
R3 + 7,872 = 9,872 Ω
R2 ∥ 9,872 = 7,077 Ω
Req = R1 + 7,077 = 4 + 7,077 = 11,08 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/11,08 = 1,083 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 1,083·4 = 7,667 V
IR2 = VA/R2 = 7,667/25 = 0,3067 A

Ответ

IR2 = 0,3067 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 68,16 W

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

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 12)/8 + (VA − VB)/6 = 0
0,4583·VA − 0,1667·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/20 + (VB − VA)/6 = 3
−0,1667·VA + 0,2167·VB = 3

Решите

Δ = (0,4583)(0,2167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,07153
VA = Δ1/Δ = 0,825/0,07153 = 11,53 V
VB = Δ2/Δ = 1,625/0,07153 = 22,72 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 22,72·3 = 68,16 W

Ответ

PIs = 68,16 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 5,889 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 + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 24)/30 + VA/30 + (VA + 5)/12 = 0,5
VA·(1/30 + 1/30 + 1/12) = 0,5 + 24/30 − 5/12 = 0,8833
VA = 0,8833/0,15 = 5,889 V
VB = 10,89 V

Ответ

VA = 5,889 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,4688 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​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​2 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
4·I1 + 2(I1 − I2) = 24
6·I1 − 2·I2 = 24

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 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 22·I2 = −18

Решите

Δ = (6)(22) − (−2)(−2) = 128
I1 = Δ1/Δ = 492/128 = 3,844 A
I2 = Δ2/Δ = −60/128 = −0,4688 A

Ответ

I2 = −0,4688 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,2334 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​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR4​25 ΩAR5​6 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
4·I1 + 25(I1 − I2) = 6
29·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 25(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 34·I2 − 6·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
30·I3 + 6(I3 − I2) = (−15)
−6·I2 + 36·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 11952
I1 = Δ1/Δ = 4878/11952 = 0,4081 A
I2 = Δ2/Δ = 2790/11952 = 0,2334 A
I3 = Δ3/Δ = −4515/11952 = −0,3778 A

Ответ

I2 = 0,2334 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR2 = 19,9 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​5 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 = 15+5 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
VA = 24·2,609/(6+2,609) = 7,273 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,273·5/20 = 1,818 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (7,273 − 0)/3 = 2,424 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​3 ΩAR4​5 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 17 = 3,864 Ω
VB = Is·Req = 1·3,864 = 3,864 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3,864·2/17 = 0,4545 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (0,4545 − 0)/3 = 0,1515 A

Складываем вклады токов

IR2 = IR2′ + IR2″ = 2,424 + 0,1515 = 2,576 A

Мощность в резисторе

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

PR2 = IR2²·R2 = 2,576²·3 = 19,9 W

Ответ

PR2 = 19,9 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 17,7 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 18 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​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​30 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) = 30 ∥ 12 = 8,571 Ω
VA = 12·8,571/(8+8,571) = 6,207 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,207·6/12 = 3,103 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​30 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 = 6,316 Ω, поэтому левый путь — R2+6,316 = 12,32 Ω
Req = R4 ∥ 12,32 = 4,034 Ω
VB = −Is·Req = −6·4,034 = −24,21 V
VA = VB·6,316/12,32 = −12,41 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 = 6,316 Ω
VA‴ = V2·6,316/(6 + 6 + 6,316) = 0,3448·V2

Приравниваем VA к нулю

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 6,207 + (−12,41) + 0,3448·V2 = 0
V2 = 6,207/0,3448 = 18 V

Ответ

V2 = 18 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 10,29 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​ = 6 ΩR3​ = 4 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 4 = 7,429 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 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) = 18·8/(6+8) = 10,29 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 104,7 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​ = 15 ΩR3​ = 30 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 = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9,375 + 30 = 39,38 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩAIs​2,5 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) = 6,25 + 2,5·9,375 = 29,69 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 29,69 + 2,5·30 = 104,7 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 42,3 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 = (10 − 1)·4,7 = 42,3 kΩ

Ответ

Rf = 42,3 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,6859 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 = 0,7/4,7 = 0,1489 mA
I2 = V2/R2 = −0,3/100 = −0,003 mA
If = I1 + I2 = 0,1459 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −4,7·0,1459 = −0,6859 V

Ответ

Vout = −0,6859 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1,386 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 = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 15/22 = 0,6818 A

Выразите время

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −1·ln(0,25) = 1,386 ms

Ответ

t = 1,386 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 69,31 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms
vC(t) = 9 + (18 − 9)·e−t/τ

Выразите время

13,5 = 9 + (9)·e−t/τ → e−t/τ = (13,5 − 9)/(18 − 9) = 0,5
t = τ·ln((18 − 9)/(13,5 − 9)) = 100·ln(2) = 69,31 ms

Ответ

t = 69,31 ms

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