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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​12 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBR6​30 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 ΩR5 = 10 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​4 Ω+−V1​10 VR2​4 Ω+−V2​15 VI2​R3​3 Ω+−V3​18 VA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I2 в ветви 2, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩV2 = 15 VR2 = 4 ΩV3 = 18 VR3 = 3 Ω
I2 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​4 ΩB0,1·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,1·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VB (относительно земли).

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ωg = 0,1 A/V
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩIR2​+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
IR2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR4​15 ΩAR5​12 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 5 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 Ω
I3 = 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 = 20 V и Is = 6 mA I = 13,5 mA; при Vs = 20 V и Is = 4 mA I = 13 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 8 V и Is = 5 mA.

20 V, 6 mA → 13,5 mA20 V, 4 mA → 13 mAVs = 8 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R4​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩAIs​2 AB+−V2​12 V

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

V1 = 10 VIs = 2 AV2 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −0,5 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 47 kΩ

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

Vin = −0,5 VRa = 4,7 kΩRb = 47 kΩR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = 1 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,6 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = 1 VV2 = 1,6 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R = 5 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 6 VR = 5 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 6,8 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.

Vs = 12 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 Vt = 400 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,9231 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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​12 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 + 12 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 20 + 6 = 26 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/26 = 0,9231 A

Ответ

IR1 = 0,9231 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 20,78 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​ = 12 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​4 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 = 10 + 30 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 3,636 Ω
R3 + 3,636 = 15,64 Ω
R2 ∥ 15,64 = 8,776 Ω
Req = R1 + 8,776 = 12 + 8,776 = 20,78 Ω

Ответ

Req = 20,78 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I2 = 0,075 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

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − 10)/4 + (VA − 15)/4 + (VA − 18)/3 = 0

Находим VA

VA = (10/4 + 15/4 + 18/3) / (1/4 + 1/4 + 1/3) = 12,25/0,8333 = 14,7 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I2 = (15 − VA)/R2 = (15 − 14,7)/4 = 0,075 A

Ответ

I2 = 0,075 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 6 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.

ЗТК в узле A

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,2667·VA − 0,1667·VB = 1,5

ЗТК в узле B

Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,1·VA
−0,2667·VA + 0,4167·VB = 0

Решите

Δ = (0,2667)(0,4167) − (−0,1667)(−0,2667) = 0,06667
VA = Δ1/Δ = 0,625/0,06667 = 9,375 V
VB = Δ2/Δ = 0,4/0,06667 = 6 V

Ответ

VB = 6 V
5.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −2,122 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​ = 10 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​24 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
10·I1 + 12(I1 − I2) = 15
22·I1 − 12·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
2·I2 + 12(I2 − I1) = (−24)
−12·I1 + 14·I2 = −24

Решите

Δ = (22)(14) − (−12)(−12) = 164
I1 = Δ1/Δ = −78/164 = −0,4756 A
I2 = Δ2/Δ = −348/164 = −2,122 A

Ответ

IR2 = I2 = −2,122 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −0,3027 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 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR4​15 ΩAR5​12 ΩB+−V2​10 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
3·I1 + 15(I1 − I2) = 5
18·I1 − 15·I2 = 5

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 + 15(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 33·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
20·I3 + 12(I3 − I2) = (−10)
−12·I2 + 32·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9216
I1 = Δ1/Δ = 2760/9216 = 0,2995 A
I2 = Δ2/Δ = 240/9216 = 0,02604 A
I3 = Δ3/Δ = −2790/9216 = −0,3027 A

Ответ

I3 = −0,3027 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 6,05 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
20·k₁ + 6·k₂ = 13,5
20·k₁ + 4·k₂ = 13

Находим константы

Δ = (20)(4) − (6)(20) = −40
k₁ = Δ1/Δ = −24/−40 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = −10/−40 = 0,25
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,25

Предсказываем новый ток

I = 0,6·8 + 0,25·5 = 6,05 mA

Ответ

I = 6,05 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR2 = −1,54 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​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​2 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) = 2 ∥ 25 = 1,852 Ω
VA = 10·1,852/(30+1,852) = 0,5814 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,5814·15/25 = 0,3488 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (0,5814 − 0,3488)/10 = 0,02326 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 ΩAIs​2 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 = 1,875 Ω, поэтому левый путь — R2+1,875 = 11,88 Ω
Req = R4 ∥ 11,88 = 6,628 Ω
VB = Is·Req = 2·6,628 = 13,26 V
VA = VB·1,875/11,88 = 2,093 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (2,093 − 13,26)/10 = −1,116 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB+−V2​12 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 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·11,88/26,88 = 5,302 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,302·1,875/11,88 = 0,8372 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (0,8372 − 5,302)/10 = −0,4465 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,02326 + (−1,116) + (−0,4465) = −1,54 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 18 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​ = 10 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 10 = 12,4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​6 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) = 30·6/(4+6) = 18 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 5,044 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​ = 30 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 30 = 34,17 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 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) = 1,5 + 5·4,167 = 22,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,33 + 5·30 = 172,3 V
IN​5,044 ARth​34,17 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 = 172,3/34,17 = 5,044 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,455 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.

Напряжение на входе +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −0,5·47/(4,7 + 47) = −0,4545 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −0,4545·(1 + 22/10) = −1,455 V

Ответ

Vout = −1,455 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,3736 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 = 1/22 = 0,04545 mA
I2 = V2/R2 = 1,6/47 = 0,03404 mA
If = I1 + I2 = 0,0795 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −4,7·0,0795 = −0,3736 V

Ответ

Vout = −0,3736 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 33,84 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 = 47 mH / 5 Ω = 9,4 ms
i(∞) = Vs/R = 6/5 = 1,2 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·1,2² = 33,84 mJ

Ответ

W(∞) = 33,84 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 10,86 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 47 µF = 319,6 ms
vC(t) = 12 + (8 − 12)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(400) = 12 + (−4)·e−400/319,6 = 10,86 V

Ответ

vC = 10,86 V

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