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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​15 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 10 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 9 VIs​3 AAR1​20 ΩR2​5 ΩB

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 VB (относительно земли).

Is = 3 AVs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 5 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​2 ΩBIs​2 A+−V2​30 V

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

V1 = 24 VIs = 2 AV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 Ω+−VR2​+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​5 ΩAR5​12 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 ΩR5 = 12 Ω
I1 = A
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 = 15 V и Is = 8 mA I = 27,3 mA; при Vs = 5 V и Is = 8 mA I = 12,3 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 4 mA.

15 V, 8 mA → 27,3 mA5 V, 8 mA → 12,3 mAVs = 5 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 4 ΩIR4​+−V1​12 VR3​5 ΩAIs​5 AB−+V2​30 V

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 12 VIs = 5 AV2 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAIs​6 ABRL​15 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 15 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 0,4 V

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

Vin = 0,4 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1,4 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1 VR2​ = 22 kΩIf​

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.

V1 = 1,4 VV2 = 1 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL33 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 = 10 VR = 15 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 6,8 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 6 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 750 ms.

Vs = 12 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 6 Vt = 750 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,4444 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​20 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 12·32/(12+32) = 8,727 Ω
Req = R1 + 8,727 = 6 + 8,727 = 14,73 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/14,73 = 0,6111 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,6111·6 = 5,333 V
IR2 = VA/R2 = 5,333/12 = 0,4444 A

Ответ

IR2 = 0,4444 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,9898 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​ = 4 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​20 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 11,11 Ω
R3 + 11,11 = 15,11 Ω
R2 ∥ 15,11 = 1,766 Ω
Req = R1 + 1,766 = 25 + 1,766 = 26,77 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/26,77 = 1,121 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,121·25 = 1,98 V
IR2 = VA/R2 = 1,98/2 = 0,9898 A

Ответ

IR2 = 0,9898 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 13,8 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 + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/20 + (VA + 9)/5 = 3
VA = (3 − 9/5)/(1/20 + 1/5) = 4,8 V
VB = 4,8 + 9 = 13,8 V

Ответ

VB = 13,8 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 12,86 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​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​2 ΩBIs​2 A+−V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 V, V2 = 30 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/30 + (VA − 24)/5 + (VA − VB)/2 = 0
0,7333·VA − 0,5·VB = 4,8

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/2 + (VB − VA)/2 + (VB − 30)/25 = 2
−0,5·VA + 1,04·VB = 3,2

Решите

Δ = (0,7333)(1,04) − (−0,5)(−0,5) = 0,5127
VA = Δ1/Δ = 6,592/0,5127 = 12,86 V
VB = Δ2/Δ = 4,747/0,5127 = 9,259 V

Ответ

VA = 12,86 V
5.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = −4 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​ = 3 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​12 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) = 12
7·I1 − 4·I2 = 12

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) = (−12)
−4·I1 + 10·I2 = −12

Решите

Δ = (7)(10) − (−4)(−4) = 54
I1 = Δ1/Δ = 72/54 = 1,333 A
I2 = Δ2/Δ = −36/54 = −0,6667 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,6667 A
VR2 = IR2·R2 = −0,6667·6 = −4 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,365 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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​5 ΩAR5​12 ΩB+−V2​18 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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 9
10·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 5(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 23·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
2·I3 + 12(I3 − I2) = (−18)
−12·I2 + 14·I3 = −18

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1430
I1 = Δ1/Δ = 522/1430 = 0,365 A
I2 = Δ2/Δ = −1530/1430 = −1,07 A
I3 = Δ3/Δ = −3150/1430 = −2,203 A

Ответ

I1 = 0,365 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 9,9 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
15·k₁ + 8·k₂ = 27,3
5·k₁ + 8·k₂ = 12,3

Находим константы

Δ = (15)(8) − (8)(5) = 80
k₁ = Δ1/Δ = 120/80 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = 48/80 = 0,6
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = 0,6

Предсказываем новый ток

I = 1,5·5 + 0,6·4 = 9,9 mA

Ответ

I = 9,9 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR4 = 5,344 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​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​5 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) = 5 ∥ 34 = 4,359 Ω
VA = 12·4,359/(15+4,359) = 2,702 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,702·4/34 = 0,3179 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,3179 − 0)/4 = 0,07947 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​5 ΩAIs​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.

R1 ∥ R3 = 3,75 Ω, поэтому левый путь — R2+3,75 = 33,75 Ω
Req = R4 ∥ 33,75 = 3,576 Ω
VB = Is·Req = 5·3,576 = 17,88 V
VA = VB·3,75/33,75 = 1,987 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (17,88 − 0)/4 = 4,47 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB−+V2​30 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·33,75/37,75 = −26,82 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −26,82·3,75/33,75 = −2,98 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−26,82 − −30)/4 = 0,7947 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,07947 + 4,47 + 0,7947 = 5,344 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 10 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​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 8 = 10 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = −4 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​ = 25 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​20 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 20 = 31,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAIs​6 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) = 2,222 + (−6)·11,11 = −64,44 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −64,44 + (−6)·20 = −184,4 V
Rth​ = 31,11 Ω−+Vth​184,4 VRL​15 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) = −184,4/(31,11 + 15) = −4 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,8 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.

Инвертирующий вход повторяет вход

V₋ = V₊ = 0,4 V
I = V₋/R1 = 0,4/10 = 0,04 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,4 + 0,04·10 = 0,8 V

Ответ

Vout = 0,8 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = 1,445 mA

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 = 1,4/1 = 1,4 mA
I2 = V2/R2 = 1/22 = 0,04545 mA
If = I1 + I2 = 1,445 mA

Ответ

If = 1,445 mA
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 6,591 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 = 33 mH / 15 Ω = 2,2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A

Выразите время

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −2,2·ln(0,05) = 6,591 ms

Ответ

t = 6,591 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 10,01 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.

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 = 12 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 12 + (6 − 12)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(750) = 12 + (−6)·e−750/680 = 10,01 V

Ответ

vC = 10,01 V

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