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​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​2 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​10 ΩBR6​15 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 ΩR5 = 8 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

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

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 10 ΩIR4​+−V1​9 VR3​3 ΩAR5​2 ΩBIs​3 A+−V2​30 V

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

V1 = 9 VIs = 3 AV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​20 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 10 VV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 ΩR5 = 20 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩIR2​AR4​4 ΩBIs​5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR2, потребляемую R2.

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
PR2 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩIR3​AIs​0,5 AB+−V2​24 V

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 9 VIs = 0,5 AV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 25 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 51.

R1 = 1 kΩAv = 51
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = 1,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,7 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = 1,2 VV2 = 1,7 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 50 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 5 ms.

Vs = 10 VR = 50 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 19,5 V? Найдите t.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 10 µFvC(0) = 30 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 7 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​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Req = R1 + 2 = 5 + 2 = 7 Ω

Ответ

Req = 7 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 9,833 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​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​10 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 6,97 Ω
R3 + 6,97 = 21,97 Ω
R2 ∥ 21,97 = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 8 + 1,833 = 9,833 Ω

Ответ

Req = 9,833 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 11,38 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​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 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/6 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/6 = 0
0,4333·VA − 0,1667·VB = 1

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/6 = 4
−0,1667·VA + 0,25·VB = 4

Решите

Δ = (0,4333)(0,25) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,08056
VA = Δ1/Δ = 0,9167/0,08056 = 11,38 V
VB = Δ2/Δ = 1,9/0,08056 = 23,59 V

Ответ

VA = 11,38 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −2,169 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​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩAR5​2 ΩBIs​3 A+−V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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/3 + (VA − 9)/12 + (VA − VB)/4 = 0
0,6667·VA − 0,25·VB = 0,75

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)/4 + (VB − 30)/10 = 3
−0,25·VA + 0,85·VB = 6

Решите

Δ = (0,6667)(0,85) − (−0,25)(−0,25) = 0,5042
VA = Δ1/Δ = 2,138/0,5042 = 4,24 V
VB = Δ2/Δ = 4,188/0,5042 = 8,306 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (8,306 − 30)/10 = −2,169 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,3793 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​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩA+−V2​15 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 + 15(I1 − I2) = 12
18·I1 − 15·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
12·I2 + 15(I2 − I1) = (−15)
−15·I1 + 27·I2 = −15

Решите

Δ = (18)(27) − (−15)(−15) = 261
I1 = Δ1/Δ = 99/261 = 0,3793 A
I2 = Δ2/Δ = −90/261 = −0,3448 A

Ответ

I1 = 0,3793 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −1,799 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​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​20 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
3·I1 + 3(I1 − I2) = 10
6·I1 − 3·I2 = 10

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
3·I2 + 3(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 26·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−18)
−20·I2 + 22·I3 = −18

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 834
I1 = Δ1/Δ = 640/834 = 0,7674 A
I2 = Δ2/Δ = −1500/834 = −1,799 A
I3 = Δ3/Δ = −2046/834 = −2,453 A

Ответ

I2 = −1,799 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR2 = 19,44 W

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​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​4 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 = 4+4 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
VA = 18·4,8/(4+4,8) = 9,818 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,818·4/8 = 4,909 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (9,818 − 0)/12 = 0,8182 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​5 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.

R1 ∥ R2 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 7 = 2,545 Ω
VB = Is·Req = 5·2,545 = 12,73 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,73·3/7 = 5,455 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (5,455 − 0)/12 = 0,4545 A

Складываем вклады токов

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,8182 + 0,4545 = 1,273 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR2 = IR2²·R2 = 1,273²·12 = 19,44 W

Ответ

PR2 = 19,44 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 10,51 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,9261 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​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​8 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) = 8 ∥ 40 = 6,667 Ω
VA = 9·6,667/(8+6,667) = 4,091 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,091·25/40 = 2,557 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,091 − 0)/8 = 0,5114 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​8 ΩAIs​0,5 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 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 19 Ω
Req = R4 ∥ 19 = 10,8 Ω
VB = Is·Req = 0,5·10,8 = 5,398 V
VA = VB·4/19 = 1,136 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,136 − 0)/8 = 0,142 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​8 ΩAОБРЫВB+−V2​24 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·19/44 = 10,36 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,36·4/19 = 2,182 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (2,182 − 0)/8 = 0,2727 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,5114 + 0,142 + 0,2727 = 0,9261 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 6 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​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​5 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 8 = 11,33 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​5 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) = 18·5/(10+5) = 6 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 5,364 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​ = 4 ΩR3​ = 4 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 4 = 7,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAIs​4 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) = 10 + 4·3,333 = 23,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,33 + 4·4 = 39,33 V
IN​5,364 ARth​7,333 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 = 39,33/7,333 = 5,364 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 50 kΩ

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 неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (51 − 1)·1 = 50 kΩ

Ответ

Rf = 50 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,563 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 = 1,2/4,7 = 0,2553 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/22 = 0,07727 mA
If = I1 + I2 = 0,3326 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −4,7·0,3326 = −1,563 V

Ответ

Vout = −1,563 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 0,8208 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.

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 = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/50 = 0,2 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−5/2 = 0,8208 V

Ответ

vL = 0,8208 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 15,25 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.

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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 10 µF = 22 ms
vC(t) = 9 + (30 − 9)·e−t/τ

Выразите время

19,5 = 9 + (21)·e−t/τ → e−t/τ = (19,5 − 9)/(30 − 9) = 0,5
t = τ·ln((30 − 9)/(19,5 − 9)) = 22·ln(2) = 15,25 ms

Ответ

t = 15,25 ms

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