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​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​2 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBR6​2 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 4 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​6 ΩBIs​1 A

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

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​36 V

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

V1 = 30 VIs = 4 AV2 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−VR2​+−V1​6 VR3​2 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​30 ΩAR5​8 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​?

Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 ΩIR4​+−V1​24 VR3​5 ΩAIs​2,5 AB+−V2​36 V

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

V1 = 24 VIs = 2,5 AV2 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​3 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −0,9 V

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

Vin = −0,9 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 47 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 22 kΩRf2​ = 2 kΩ

Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Входное напряжение Vin = −0,55 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 47 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 2 kΩVin = −0,55 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 50 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 = 5 VR = 50 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​20 VR1​ = 15 ΩR2​ = 10 Ωзамыкается при t = 0L68 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 10 ms.

Vs = 20 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 15,48 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​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​2 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 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 20·22/(20+22) = 10,48 Ω
Req = R1 + 10,48 = 5 + 10,48 = 15,48 Ω

Ответ

Req = 15,48 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 4,743 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​ = 2 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBR6​2 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 + 2 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2 Ω
R3 + 2 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 2,743 Ω
Req = R1 + 2,743 = 2 + 2,743 = 4,743 Ω

Ответ

Req = 4,743 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 3,091 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​18 VR2​5 ΩAR4​6 ΩBIs​1 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 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 − 18)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,2·VA − 0,5·VB = 9

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,6667·VB = 1

Решите

Δ = (1,2)(0,6667) − (−0,5)(−0,5) = 0,55
VA = Δ1/Δ = 6,5/0,55 = 11,82 V
VB = Δ2/Δ = 5,7/0,55 = 10,36 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 11,82)/2 = 3,091 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = −1,353 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​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​36 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 V, V2 = 36 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/4 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,3667·VA − 0,05·VB = 2

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/15 + (VB − VA)/20 + (VB − 36)/12 = 4
−0,05·VA + 0,2·VB = 7

Решите

Δ = (0,3667)(0,2) − (−0,05)(−0,05) = 0,07083
VA = Δ1/Δ = 0,75/0,07083 = 10,59 V
VB = Δ2/Δ = 2,667/0,07083 = 37,65 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (10,59 − 37,65)/20 = −1,353 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = −12,58 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​ = 5 Ω+−V1​6 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
3·I1 + 2(I1 − I2) = 6
5·I1 − 2·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
5·I2 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 7·I2 = −18

Решите

Δ = (5)(7) − (−2)(−2) = 31
I1 = Δ1/Δ = 6/31 = 0,1935 A
I2 = Δ2/Δ = −78/31 = −2,516 A

Ответ

IR2 = I2 = −2,516 A
VR2 = IR2·R2 = −2,516·5 = −12,58 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 1,547 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​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​30 ΩAR5​8 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
8·I1 + 30(I1 − I2) = 30
38·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 30(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 44·I2 − 8·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
6·I3 + 8(I3 − I2) = (−15)
−8·I2 + 14·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8376
I1 = Δ1/Δ = 12960/8376 = 1,547 A
I2 = Δ2/Δ = 8040/8376 = 0,9599 A
I3 = Δ3/Δ = −4380/8376 = −0,5229 A

Ответ

I1 = 1,547 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 1,25 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 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​3 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 = 8+3 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·11/(5+11) = 3,438 Ω
VA = 15·3,438/(15+3,438) = 2,797 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,797·3/11 = 0,7627 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2,797 − 0,7627)/8 = 0,2542 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.

R1 ∥ R2 = 3,75 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·3/14,75 = −0,2034·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,2542 − 0,2034·Is = 0
Is = 0,2542/0,2034 = 1,25 A

Ответ

Is = 1,25 A
8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −0,5909 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​ = 5 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​24 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 ∥ 10 = 3,333 Ω
VA = 24·3,333/(15+3,333) = 4,364 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,364·5/10 = 2,182 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2,182 − 0)/5 = 0,4364 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​5 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.

R1 ∥ R3 = 3,75 Ω, поэтому левый путь — R2+3,75 = 8,75 Ω
Req = R4 ∥ 8,75 = 3,182 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,182 = 7,955 V
VA = VB·3,75/8,75 = 3,409 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (7,955 − 0)/5 = 1,591 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB+−V2​36 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) = 36·8,75/13,75 = 22,91 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 22,91·3,75/8,75 = 9,818 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (22,91 − 36)/5 = −2,618 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,4364 + 1,591 + (−2,618) = −0,5909 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 23,75 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​ = 10 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​6 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 20 = 23,75 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 26,5 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​10 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 3 = 4,667 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​3 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) = 12,5 + 3·1,667 = 17,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17,5 + 3·3 = 26,5 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,7 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₊ = −0,9 V
I = V₋/R1 = −0,9/1 = −0,9 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,9 + (−0,9)·2 = −2,7 V

Ответ

Vout = −2,7 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 6 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 каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −47/4,7 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/22 = 1,091

Каскад за каскадом

V1 = −10·(−0,55) = 5,5 V
Vout = 1,091·5,5 = 6 V

Ответ

Vout = 6 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,61 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 / 50 Ω = 0,44 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0,1 A

Выразите время

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −0,44·ln(0,25) = 0,61 ms

Ответ

t = 0,61 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 1,275 A

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

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 20/(15 + 10) = 0,8 A
i(∞) = 20/15 = 1,333 A
τ = L/R = 68/15 = 4,533 ms
i(t) = 1,333 + (0,8 − 1,333)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(10) = 1,333 + (−0,5333)·e−10/4,533 = 1,275 A

Ответ

i = 1,275 A

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