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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​3 ΩBR6​30 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 3 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBIs​1 A

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

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 10 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩAR5​4 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

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

V1 = 18 VIs = 0,5 AV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 ΩR5 = 4 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩIR1​R2​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​8 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 10 VV2 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 ΩR5 = 8 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​12 Ω+−VR4​BIs​2,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 24 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​30 VR3​20 ΩAIs​4 AB+−V2​15 V

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

V1 = 30 VIs = 4 AV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = 0,3 V

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

Vin = 0,3 VR1 = 4,7 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,7 VR1​ = 1 kΩV2​ = −0,4 VR2​ = 10 kΩIf​

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.

V1 = −1,7 VV2 = −0,4 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 68 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.

Vs = 10 VR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 15 ms.

Vs = 5 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 4 Vt = 15 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,7356 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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 12·32/(12+32) = 8,727 Ω
Req = R1 + 8,727 = 15 + 8,727 = 23,73 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/23,73 = 1,011 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,011·15 = 8,828 V
IR2 = VA/R2 = 8,828/12 = 0,7356 A

Ответ

IR2 = 0,7356 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 10,95 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​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​3 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 = 3 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 2,75 Ω
R3 + 2,75 = 12,75 Ω
R2 ∥ 12,75 = 8,947 Ω
Req = R1 + 8,947 = 2 + 8,947 = 10,95 Ω

Ответ

Req = 10,95 Ω
3.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.

R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBIs​1 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/4 + (VA − 12)/12 + (VA − VB)/2 = 0
0,8333·VA − 0,5·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/15 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,5667·VB = 1

Решите

Δ = (0,8333)(0,5667) − (−0,5)(−0,5) = 0,2222
VA = Δ1/Δ = 1,067/0,2222 = 4,8 V
VB = Δ2/Δ = 1,333/0,2222 = 6 V

Ответ

VB = 6 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 1,76 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​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩAR5​4 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 24 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/6 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0,5167·VA − 0,1·VB = 4,5

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/4 + (VB − VA)/10 + (VB − 24)/5 = 0,5
−0,1·VA + 0,55·VB = 5,3

Решите

Δ = (0,5167)(0,55) − (−0,1)(−0,1) = 0,2742
VA = Δ1/Δ = 3,005/0,2742 = 10,96 V
VB = Δ2/Δ = 3,188/0,2742 = 11,63 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 10,96)/4 = 1,76 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,871 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​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩA+−V2​12 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 + 6(I1 − I2) = 18
16·I1 − 6·I2 = 18

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
4·I2 + 6(I2 − I1) = (−12)
−6·I1 + 10·I2 = −12

Решите

Δ = (16)(10) − (−6)(−6) = 124
I1 = Δ1/Δ = 108/124 = 0,871 A
I2 = Δ2/Δ = −84/124 = −0,6774 A

Ответ

I1 = 0,871 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,149 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​ = 2 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​8 ΩB+−V2​24 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
2·I1 + 20(I1 − I2) = 10
22·I1 − 20·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
12·I2 + 20(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 40·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
5·I3 + 8(I3 − I2) = (−24)
−8·I2 + 13·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4832
I1 = Δ1/Δ = 720/4832 = 0,149 A
I2 = Δ2/Δ = −1624/4832 = −0,3361 A
I3 = Δ3/Δ = −9920/4832 = −2,053 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,149 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = 14,43 V

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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​12 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 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·17/(2+17) = 1,789 Ω
VA = 24·1,789/(6+1,789) = 5,514 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,514·12/17 = 3,892 V
VR4′ = VB − 0 = 3,892 − 0 = 3,892 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​2,5 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 6,5 = 4,216 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,216 = 10,54 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,54·1,5/6,5 = 2,432 V
VR4″ = VB − 0 = 10,54 − 0 = 10,54 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 3,892 + 10,54 = 14,43 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −2,692 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​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​20 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) = 20 ∥ 35 = 12,73 Ω
VA = 30·12,73/(5+12,73) = 21,54 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 21,54·15/35 = 9,231 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 9,231)/15 = −0,6154 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​20 ΩAIs​4 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 = 24 Ω
Req = R4 ∥ 24 = 9,231 Ω
VB = Is·Req = 4·9,231 = 36,92 V
VA = VB·4/24 = 6,154 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 36,92)/15 = −2,462 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​20 ΩAОБРЫВB+−V2​15 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·24/39 = 9,231 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,231·4/24 = 1,538 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (15 − 9,231)/15 = 0,3846 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,6154) + (−2,462) + 0,3846 = −2,692 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,1622 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​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​8 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 12 = 16,44 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 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) = 6·8/(10+8) = 2,667 V
IN​0,1622 ARth​16,44 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 = 2,667/16,44 = 0,1622 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = −5,623 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​ = 15 ΩКЗR2​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 15 = 17,67 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​6 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) = 6,667 + (−6)·2,667 = −9,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −9,333 + (−6)·15 = −99,33 V
IN​5,623 ARth​17,67 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 = −99,33/17,67 = −5,623 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 3,3 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₊ = 0,3 V
I = V₋/R1 = 0,3/4,7 = 0,06383 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,3 + 0,06383·47 = 3,3 V

Ответ

Vout = 3,3 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = −1,74 mA

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 = −1,7/1 = −1,7 mA
I2 = V2/R2 = −0,4/10 = −0,04 mA
If = I1 + I2 = −1,74 mA

Ответ

If = −1,74 mA
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1318 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.

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 = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 10/68 = 0,1471 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,1471·(1 − e−5/2,206) = 0,1318 A

Ответ

i = 0,1318 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 4,273 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 5 + (4 − 5)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(15) = 5 + (−1)·e−15/47 = 4,273 V

Ответ

vC = 4,273 V

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