电路分析(一):速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 14 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

串并联电阻

电阻串联
Req = R1 + R2 + …
电阻并联
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
两个电阻并联
Req = R1R2 / (R1 + R2)
欧姆定律
V = I·R
功率
P = V·I = I²R = V²/R

方法

  1. 从离端子最远的网络末端开始。
  2. 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. 每一步之后重新画电路。
  4. 重复直到端子之间只剩一个电阻。

节点分析

基尔霍夫电流定律
ΣIin = ΣIout
支路电流
I = (Va − Vb)/R
参考节点
Vground = 0

方法

  1. 选定参考节点(地),并标出其他节点电压。
  2. 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律:流出各支路的电流等于流入的电流。
  3. 把每条支路电流表示为 (Va − Vb)/R。
  4. 解方程组,再求出所需的电流。

网孔分析

基尔霍夫电压定律
沿每个回路 ΣV = 0
公共电阻
电流 = I1 − I2
网孔中的电流源
直接确定该网孔电流

方法

  1. 在电路的每个网孔(窗口)中设一个顺时针电流。
  2. 对每个网孔应用基尔霍夫电压定律:电压降之和为零。
  3. 两个网孔共用的电阻中,电流为两个网孔电流之差。
  4. 解方程;结果为负表示电流实际方向相反。

叠加定理

叠加定理
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
置零的电压源
短路 (0 V)
置零的电流源
开路 (0 A)
分压公式
V2 = V·R2/(R1 + R2)
分流公式
I1 = I·R2/(R1 + R2)

方法

  1. 数一数独立电源的个数。每个电源对应求解一个更简单的电路。
  2. 保留一个电源,将其他电源置零:电压源用短路(导线)代替,电流源用开路(断开)代替。
  3. 在简化后的电路中求所需的电压或电流,并注意其方向。
  4. 对每个电源重复上述步骤,再将各分量按符号相加。

戴维南和诺顿

戴维南电压
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth:所有独立源置零,从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

方法

  1. 移去负载,并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压:这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零,求从 a–b 看进去的电阻:这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路:Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换:IN = Vth/Rth,RN = Rth 并联。

运放电路

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

RC 和 RL 暂态

时间常数
τ = RC | τ = L/R
响应
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
直流下的电容
开路;vC 不能突变
直流下的电感
短路;iL 不能突变
稳态
t ≈ 5τ

方法

  1. 求换路后瞬间的初始值:电容电压和电感电流不能突变。
  2. 求换路后很长时间的终值:电容相当于开路,电感相当于短路。
  3. 求时间常数:τ = RC 或 τ = L/R,使用从电容或电感两端看进去的电阻。
  4. 使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ。

2练习题

1.串并联电阻中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩIR2​AR4​5 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​10 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 ΩR5 = 25 ΩR6 = 10 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A+−V2​6 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 18 VIs = 1 AV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩIR2​+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 9 VV2 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR4​4 ΩAR5​10 Ω+−VR5​B+−V2​5 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R5 两端按图示极性的电压 VR5。

V1 = 6 VV2 = 5 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩR5 = 10 Ω
VR5 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 R1 吸收的功率 PR1。

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
PR1 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​5 VR3​30 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电压源 V2 的值(极性如图所示)。

V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩARL​10 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 10 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAIs​2.5 ABRL​8 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 30 VIs = 2.5 AR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = −2.5 VRa​ = 4.7 kΩRb​ = 47 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −2.5 VRa = 4.7 kΩRb = 47 kΩR1 = 4.7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −1.3 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0.5 VR2​ = 22 kΩIf​

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。

V1 = −1.3 VV2 = 0.5 VR1 = 10 kΩR2 = 22 kΩRf = 47 kΩ
If = mA
13.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​6 Vt = 0R = 5 ΩL100 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 15 ms 时电感中储存的能量 W,以 mJ 表示。

Vs = 6 VR = 5 ΩL = 100 mHt = 15 ms
W = mJ
14.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 Vt = 0R = 1 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 6 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 15 V?求 t。

Vs = 24 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 6 V
t = ms

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 6.667 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​5 ΩB

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R3 + R4 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 2·8/(2+8) = 1.6 Ω
Req = R1 + 1.6 = 2 + 1.6 = 3.6 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 30/3.6 = 8.333 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 8.333·2 = 13.33 V
IR2 = VA/R2 = 13.33/2 = 6.667 A

答案

IR2 = 6.667 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 1.445 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBR6​10 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 25 + 10 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 3.59 Ω
R3 + 3.59 = 7.59 Ω
R2 ∥ 7.59 = 3.014 Ω
Req = R1 + 3.014 = 12 + 3.014 = 15.01 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 36/15.01 = 2.398 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 2.398·12 = 7.227 V
IR2 = VA/R2 = 7.227/5 = 1.445 A

答案

IR2 = 1.445 A
3.节点分析

答案: VA = 14.64 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 30 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/2 = 0
0.7667·VA − 0.5·VB = 3

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/2 = 2
−0.5·VA + 0.5667·VB = 2

求解

Δ = (0.7667)(0.5667) − (−0.5)(−0.5) = 0.1844
VA = Δ1/Δ = 2.7/0.1844 = 14.64 V
VB = Δ2/Δ = 3.033/0.1844 = 16.45 V

答案

VA = 14.64 V
4.节点分析

答案: VA = 9.444 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A+−V2​6 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 18 V, V2 = 6 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/3 + (VA − 18)/3 + (VA − VB)/2 = 0
1.167·VA − 0.5·VB = 6

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/20 + (VB − VA)/2 + (VB − 6)/20 = 1
−0.5·VA + 0.6·VB = 1.3

求解

Δ = (1.167)(0.6) − (−0.5)(−0.5) = 0.45
VA = Δ1/Δ = 4.25/0.45 = 9.444 V
VB = Δ2/Δ = 4.517/0.45 = 10.04 V

答案

VA = 9.444 V
5.网孔分析

答案: IR2 = −0.44 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 5 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 5(I1 − I2) = 9
10·I1 − 5·I2 = 9

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 5(I2 − I1) = (−10)
−5·I1 + 15·I2 = −10

求解

Δ = (10)(15) − (−5)(−5) = 125
I1 = Δ1/Δ = 85/125 = 0.68 A
I2 = Δ2/Δ = −55/125 = −0.44 A

答案

IR2 = I2 = −0.44 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR5 = 3.463 V

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR4​4 ΩAR5​10 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2, I3。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
30·I1 + 4(I1 − I2) = 6
34·I1 − 4·I2 = 6

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 4(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 17·I2 − 10·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
2·I3 + 10(I3 − I2) = (−5)
−10·I2 + 12·I3 = −5

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 3344
I1 = Δ1/Δ = 424/3344 = 0.1268 A
I2 = Δ2/Δ = −1412/3344 = −0.4222 A
I3 = Δ3/Δ = −2570/3344 = −0.7685 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 0.3463 A
VR5 = IR5·R5 = 0.3463·10 = 3.463 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR1 = 74.5 W

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​12 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 10+12 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·22/(3+22) = 2.64 Ω
VA = 24·2.64/(2+2.64) = 13.66 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 13.66·12/22 = 7.448 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 13.66)/2 = 5.172 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​3 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,因此 R₁ 与 R₂ 并联。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和经过 R₃ 的路径。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R2 = 2·3/(2+3) = 1.2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 11.2 = 5.793 Ω
VB = −Is·Req = −3·5.793 = −17.38 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −17.38·1.2/11.2 = −1.862 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −1.862)/2 = 0.931 A

把电流的各个贡献相加

IR1 = IR1′ + IR1″ = 5.172 + 0.931 = 6.103 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR1 = IR1²·R1 = 6.103²·2 = 74.5 W

答案

PR1 = 74.5 W

把各单独情况下的功率相加会得到 55.24 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: V2 = 25 V

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​5 VR3​30 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 30 = 15 Ω
VA = 5·15/(6+15) = 3.571 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3.571·25/30 = 2.976 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​30 ΩAIs​2 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R3 = 5 Ω,所以左侧路径为 R2+5 = 10 Ω
Req = R4 ∥ 10 = 7.143 Ω
VB = −Is·Req = −2·7.143 = −14.29 V
VA = VB·5/10 = −7.143 V

情况 3 · V2 单独作用,按每伏计

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 5 Ω
VA‴ = V2·5/(25 + 5 + 5) = 0.1429·V2

令 VA 为零

VA = 0 时 R₃ 两端没有电压,所以其电流为零。

VA′ + VA″ + VA‴ = 3.571 + (−7.143) + 0.1429·V2 = 0
V2 = 3.571/0.1429 = 25 V

答案

V2 = 25 V
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.1915 A

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​8 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.8 + 4 = 8.8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时 R₃ 中没有电流,因此其上无压降,V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·8/(12+8) = 3.6 V
Rth​ = 8.8 Ω+−Vth​3.6 VRL​10 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 3.6/(8.8 + 10) = 0.1915 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.7099 A

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​30 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 3·30/(3+30) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 4 = 6.727 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAIs​2.5 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 27.27 + (−2.5)·2.727 = 20.45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20.45 + (−2.5)·4 = 10.45 V
Rth​ = 6.727 Ω+−Vth​10.45 VRL​8 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 10.45/(6.727 + 8) = 0.7099 A
11.运放电路

答案: Vout = −7.108 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

+ 输入端的电压

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −2.5·47/(4.7 + 47) = −2.273 V

同相增益

V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −2.273·(1 + 10/4.7) = −7.108 V

答案

Vout = −7.108 V
12.运放电路

答案: If = −0.1073 mA

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −1.3/10 = −0.13 mA
I2 = V2/R2 = 0.5/22 = 0.02273 mA
If = I1 + I2 = −0.1073 mA

答案

If = −0.1073 mA
13.RC 和 RL 暂态

答案: W = 20.04 mJ

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 100 mH / 5 Ω = 20 ms
i(∞) = Vs/R = 6/5 = 1.2 A

给定时刻的电流

i(t) = 1.2·(1 − e−15/20) = 0.6332 A

储存的能量

W = ½·L·i² = ½·100·0.6332² = 20.04 mJ

答案

W = 20.04 mJ
14.RC 和 RL 暂态

答案: t = 6.931 ms

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 10 µF = 10 ms
vC(t) = 24 + (6 − 24)·e−t/τ

求解时间

15 = 24 + (−18)·e−t/τ → e−t/τ = (15 − 24)/(6 − 24) = 0.5
t = τ·ln((6 − 24)/(15 − 24)) = 10·ln(2) = 6.931 ms

答案

t = 6.931 ms

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