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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​2 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩIR2​AR4​3 ΩBR6​6 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩAR5​3 ΩBIs​1 A+−V2​10 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 9 VIs = 1 AV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 3 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 8 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 12 VV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​3 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 ΩR5 = 3 Ω
I1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

用叠加定理求 R1 吸收的功率 PR1。

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
PR1 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​5 VR3​3 ΩAIs​4 AB+−V2​24 V

用叠加定理求 R4 吸收的功率 PR4。

V1 = 5 VIs = 4 AV2 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 Ω
PR4 = W
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​2.5 ABRL​20 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 20 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 36 VIs = 2.5 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩRL = 20 Ω
PL = W
11.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 10。

R1 = 22 kΩAv = 10
Rf = kΩ
12.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 4.7 kΩRf1​ = 4.7 kΩ第 2 级:同相R2​ = 100 kΩRf2​ = 47 kΩ

两个理想运放级级联连接:一个反相放大器(R1,Rf1),后接一个同相放大器(R2 接地,Rf2 在反馈支路中)。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = 0.4 V。求输出电压 Vout。

R1 = 4.7 kΩRf1 = 4.7 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 47 kΩVin = 0.4 V
Vout = V
13.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 ΩL100 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时的电流 i。

Vs = 10 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
14.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 VR1​ = 15 ΩR2​ = 5 Ω在 t = 0 断开L220 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已闭合很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关断开。 求 t = 30 ms 时的电感电流 i。

Vs = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩL = 220 mHt = 30 ms
i = A

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.929 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​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​2 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 5·7/(5+7) = 2.917 Ω
Req = R1 + 2.917 = 10 + 2.917 = 12.92 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 = 12/12.92 = 0.929 A

答案

IR1 = 0.929 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 1.143 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​ = 15 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBR6​6 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 + 6 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 2.735 Ω
R3 + 2.735 = 17.74 Ω
R2 ∥ 17.74 = 6.394 Ω
Req = R1 + 6.394 = 2 + 6.394 = 8.394 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 = 15/8.394 = 1.787 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 = 15 − 1.787·2 = 11.43 V
IR2 = VA/R2 = 11.43/10 = 1.143 A

答案

IR2 = 1.143 A
3.节点分析

答案: IR1 = 0.7606 A

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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBIs​1 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 12 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/8 + (VA − 12)/6 + (VA − VB)/15 = 0
0.3583·VA − 0.06667·VB = 2

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/12 + (VB − VA)/15 = 1
−0.06667·VA + 0.15·VB = 1

求解

Δ = (0.3583)(0.15) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.04931
VA = Δ1/Δ = 0.3667/0.04931 = 7.437 V
VB = Δ2/Δ = 0.4917/0.04931 = 9.972 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 7.437)/6 = 0.7606 A
4.节点分析

答案: VA = 4.889 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​ = 15 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩAR5​3 ΩBIs​1 A+−V2​10 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 9 V, V2 = 10 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/10 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0.3333·VA − 0.1667·VB = 0.6

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/3 + (VB − VA)/6 + (VB − 10)/3 = 1
−0.1667·VA + 0.8333·VB = 4.333

求解

Δ = (0.3333)(0.8333) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.25
VA = Δ1/Δ = 1.222/0.25 = 4.889 V
VB = Δ2/Δ = 1.544/0.25 = 6.178 V

答案

VA = 4.889 V
5.网孔分析

答案: I2 = −0.8824 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​ = 8 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​24 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
8·I1 + 4(I1 − I2) = 12
12·I1 − 4·I2 = 12

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
20·I2 + 4(I2 − I1) = (−24)
−4·I1 + 24·I2 = −24

求解

Δ = (12)(24) − (−4)(−4) = 272
I1 = Δ1/Δ = 192/272 = 0.7059 A
I2 = Δ2/Δ = −240/272 = −0.8824 A

答案

I2 = −0.8824 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I1 = 1.621 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​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​3 ΩB+−V2​12 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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 15
10·I1 − 5·I2 = 15

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
8·I2 + 5(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 16·I2 − 3·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
5·I3 + 3(I3 − I2) = (−12)
−3·I2 + 8·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 990
I1 = Δ1/Δ = 1605/990 = 1.621 A
I2 = Δ2/Δ = 240/990 = 0.2424 A
I3 = Δ3/Δ = −1395/990 = −1.409 A

答案

I1 = 1.621 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR1 = 22.22 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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​2 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 = 6+2 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·8/(20+8) = 5.714 Ω
VA = 30·5.714/(8+5.714) = 12.5 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12.5·2/8 = 3.125 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 12.5)/8 = 2.188 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​5 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。

R1 ∥ R2 = 8·20/(8+20) = 5.714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 11.71 = 1.708 Ω
VB = Is·Req = 5·1.708 = 8.542 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8.542·5.714/11.71 = 4.167 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4.167)/8 = −0.5208 A

把电流的各个贡献相加

IR1 = IR1′ + IR1″ = 2.188 + (−0.5208) = 1.667 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 = 1.667²·8 = 22.22 W

答案

PR1 = 22.22 W

把各单独情况下的功率相加会得到 40.45 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: PR4 = 2.43 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​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​5 VR3​3 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) = 3 ∥ 31 = 2.735 Ω
VA = 5·2.735/(10+2.735) = 1.074 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.074·25/31 = 0.8661 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0.8661 − 0)/25 = 0.03464 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​3 ΩAIs​4 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。

R1 ∥ R3 = 2.308 Ω,所以左侧路径为 R2+2.308 = 8.308 Ω
Req = R4 ∥ 8.308 = 6.236 Ω
VB = Is·Req = 4·6.236 = 24.94 V
VA = VB·2.308/8.308 = 6.928 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (24.94 − 0)/25 = 0.9977 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​3 ΩA开路B+−V2​24 V

情况 3 · V2 单独作用

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 = 10·3/(10+3) = 2.308 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·8.308/33.31 = 5.986 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5.986·2.308/8.308 = 1.663 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (5.986 − 24)/25 = −0.7206 A

把电流的各个贡献相加

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0.03464 + 0.9977 + (−0.7206) = 0.3118 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。

PR4 = IR4²·R4 = 0.3118²·25 = 2.43 W

答案

PR4 = 2.43 W

把各单独情况下的功率相加会得到 37.89 W,这是错误的。

9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 1.5 V

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​ = 2 Ω短路R2​4 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 2 = 5 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​4 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) = 6·4/(12+4) = 1.5 V
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 54.77 W

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​ = 6 Ω短路R2​8 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 = 3·8/(3+8) = 2.182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.182 + 6 = 8.182 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​8 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) = 26.18 + 2.5·2.182 = 31.64 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 31.64 + 2.5·6 = 46.64 V
Rth​ = 8.182 Ω+−Vth​46.64 VRL​20 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) = 46.64/(8.182 + 20) = 1.655 A
PL = IL²·RL = 1.655²·20 = 54.77 W
11.运放电路

答案: Rf = 198 kΩ

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。

同相放大器的增益

V₋ = V₊ = Vin,且流过 R₁ 的电流也流过 Rf,所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (10 − 1)·22 = 198 kΩ

答案

Rf = 198 kΩ
12.运放电路

答案: Vout = −0.588 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。

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −4.7/4.7 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/100 = 1.47

逐级计算

V1 = −1·0.4 = −0.4 V
Vout = 1.47·(−0.4) = −0.588 V

答案

Vout = −0.588 V
13.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.3935 A

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 / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1·(1 − e−5/10) = 0.3935 A

答案

i = 0.3935 A
14.RC 和 RL 暂态

答案: i = 1.226 A

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

在 t = 0 之前,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。

i(0) = 24/15 = 1.6 A
i(∞) = 24/(15 + 5) = 1.2 A
τ = L/R = 220/20 = 11 ms
i(t) = 1.2 + (1.6 − 1.2)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(30) = 1.2 + (0.4)·e−30/11 = 1.226 A

答案

i = 1.226 A

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