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 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​10 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 10 ΩR5 = 8 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​5 Ω−+V1​24 VI1​R2​2 Ω+−V2​9 VR3​4 Ω+−V3​10 VA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩV2 = 9 VR2 = 2 ΩV3 = 10 VR3 = 4 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​12 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 VA (относительно земли).

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ωg = 0,1 A/V
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 2 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​15 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 Ω
IR3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​10 Ω+−VR4​BIs​4 A

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

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​12 ΩAIs​3 AB−+V2​36 V

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

V1 = 18 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩARL​2 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABRL​25 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 25 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 4,7 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −0,3 VR1​ = 2 kΩV2​ = −1 VR2​ = 10 kΩIf​

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

V1 = −0,3 VV2 = −1 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 22 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 90% конечного значения? Найдите t.

Vs = 15 VR = 22 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 3 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 30 ms.

Vs = 15 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 3 Vt = 30 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,669 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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​8 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 = 5 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 12·13/(12+13) = 6,24 Ω
Req = R1 + 6,24 = 5 + 6,24 = 11,24 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/11,24 = 2,669 A

Ответ

IR1 = 2,669 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 4,913 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​ = 3 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​10 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 = 8 + 30 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 7,917 Ω
R3 + 7,917 = 32,92 Ω
R2 ∥ 32,92 = 1,885 Ω
Req = R1 + 1,885 = 3 + 1,885 = 4,885 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/4,885 = 4,913 A

Ответ

IR1 = 4,913 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I1 = −5,263 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 − (−24))/5 + (VA − 9)/2 + (VA − 10)/4 = 0

Находим VA

VA = ((−24)/5 + 9/2 + 10/4) / (1/5 + 1/2 + 1/4) = 2,2/0,95 = 2,316 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I1 = ((−24) − VA)/R1 = ((−24) − 2,316)/5 = −5,263 A

Ответ

I1 = −5,263 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 22,28 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
0,6833·VA − 0,3333·VB = 7,5

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
−0,4333·VA + 0,4167·VB = 0

Решите

Δ = (0,6833)(0,4167) − (−0,3333)(−0,4333) = 0,1403
VA = Δ1/Δ = 3,125/0,1403 = 22,28 V
VB = Δ2/Δ = 3,25/0,1403 = 23,17 V

Ответ

VA = 22,28 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = −0,3673 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​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​15 ΩA+−V2​10 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
2·I1 + 15(I1 − I2) = 6
17·I1 − 15·I2 = 6

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 + 15(I2 − I1) = (−10)
−15·I1 + 19·I2 = −10

Решите

Δ = (17)(19) − (−15)(−15) = 98
I1 = Δ1/Δ = −36/98 = −0,3673 A
I2 = Δ2/Δ = −80/98 = −0,8163 A

Ответ

I1 = −0,3673 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = −0,6814 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​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​12 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 + 2(I1 − I2) = 5
5·I1 − 2·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
15·I2 + 2(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 42·I2 − 25·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
6·I3 + 25(I3 − I2) = (−12)
−25·I2 + 31·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3261
I1 = Δ1/Δ = 2785/3261 = 0,854 A
I2 = Δ2/Δ = −1190/3261 = −0,3649 A
I3 = Δ3/Δ = −2222/3261 = −0,6814 A

Ответ

IR3 = I3 = −0,6814 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = 21,79 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​10 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 = 3+10 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
VA = 9·6,964/(10+6,964) = 3,695 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,695·10/13 = 2,842 V
VR4′ = VB − 0 = 2,842 − 0 = 2,842 V
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​4 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 9 = 4,737 Ω
VB = Is·Req = 4·4,737 = 18,95 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 18,95·6/9 = 12,63 V
VR4″ = VB − 0 = 18,95 − 0 = 18,95 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2,842 + 18,95 = 21,79 V

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

8.Метод наложения

Ответ: IR2 = −1,025 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​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​12 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) = 12 ∥ 14 = 6,462 Ω
VA = 18·6,462/(30+6,462) = 3,19 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,19·6/14 = 1,367 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (1,367 − 3,19)/8 = −0,2278 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​12 ΩAIs​3 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 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 16,57 Ω
Req = R4 ∥ 16,57 = 4,405 Ω
VB = Is·Req = 3·4,405 = 13,22 V
VA = VB·8,571/16,57 = 6,835 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (13,22 − 6,835)/8 = 0,7975 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​12 ΩAОБРЫВB−+V2​36 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·16,57/22,57 = −26,43 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −26,43·8,571/16,57 = −13,67 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (−26,43 − −13,67)/8 = −1,595 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0,2278) + 0,7975 + (−1,595) = −1,025 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,25 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​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 4 = 7 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​12 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) = 15·12/(4+12) = 11,25 V
Rth​ = 7 Ω+−Vth​11,25 VRL​2 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 11,25/(7 + 2) = 1,25 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,9038 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​ = 2 ΩКЗR2​25 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 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,143 + 2 = 9,143 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​1,5 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) = 17,14 + 1,5·7,143 = 27,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,86 + 1,5·2 = 30,86 V
Rth​ = 9,143 Ω+−Vth​30,86 VRL​25 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 30,86/(9,143 + 25) = 0,9038 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 1,091 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.

Коэффициент усиления

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/4,7 = 11

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/11 = 1,091 V

Ответ

Vin,max = 1,091 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = −0,25 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 = −0,3/2 = −0,15 mA
I2 = V2/R2 = −1/10 = −0,1 mA
If = I1 + I2 = −0,25 mA

Ответ

If = −0,25 mA
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 3,454 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.

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 = 33 mH / 22 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 15/22 = 0,6818 A

Выразите время

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,5·ln(0,1) = 3,454 ms

Ответ

t = 3,454 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 8,662 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 15 + (3 − 15)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(30) = 15 + (−12)·e−30/47 = 8,662 V

Ответ

vC = 8,662 V

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