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​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​15 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 ΩR5 = 8 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

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

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​20 ΩBIs​5 A+−V2​6 V

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

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 Ω+−VR1​R2​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​2 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR1 на R1 с указанной полярностью.

V1 = 6 VV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 Ω
VR1 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​8 ΩAR5​8 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 24 VV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 8 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​2 A

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 Ω+−VR2​R4​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩAIs​2 AB+−V2​6 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 24 VIs = 2 AV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​4 ABRL​15 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 15 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 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 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = −2,7 VR = 100 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −2,7 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 500 ms.

Vin = −2,7 VR = 100 kΩC = 2,2 µFVsat = ±13 Vt = 500 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 100 ΩL22 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 80% конечного значения? Найдите t.

Vs = 15 VR = 100 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C2,2 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,58 V, ровно через 25 ms после старта. При C = 2,2 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 25 msC = 2,2 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 18,33 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​15 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 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 15 + 3,333 = 18,33 Ω

Ответ

Req = 18,33 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,7253 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​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​12 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 + 12 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 8,571 Ω
R3 + 8,571 = 23,57 Ω
R2 ∥ 23,57 = 13,2 Ω
Req = R1 + 13,2 = 5 + 13,2 = 18,2 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/18,2 = 1,648 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,648·5 = 21,76 V
IR2 = VA/R2 = 21,76/30 = 0,7253 A

Ответ

IR2 = 0,7253 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 14 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​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 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/10 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/12 = 0
0,2667·VA − 0,08333·VB = 2,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/12 = 5
−0,08333·VA + 0,4167·VB = 5

Решите

Δ = (0,2667)(0,4167) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1042
VA = Δ1/Δ = 1,458/0,1042 = 14 V
VB = Δ2/Δ = 1,542/0,1042 = 14,8 V

Ответ

VA = 14 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = −2,391 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​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​20 ΩBIs​5 A+−V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = 6 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/4 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,4667·VA − 0,1667·VB = 0,3

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/20 + (VB − VA)/6 + (VB − 6)/12 = 5
−0,1667·VA + 0,3·VB = 5,5

Решите

Δ = (0,4667)(0,3) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1122
VA = Δ1/Δ = 1,007/0,1122 = 8,97 V
VB = Δ2/Δ = 2,617/0,1122 = 23,32 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (8,97 − 23,32)/6 = −2,391 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 2,526 V

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​ = 4 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​2 ΩA+−V2​9 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
4·I1 + 2(I1 − I2) = 6
6·I1 − 2·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
5·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 7·I2 = −9

Решите

Δ = (6)(7) − (−2)(−2) = 38
I1 = Δ1/Δ = 24/38 = 0,6316 A
I2 = Δ2/Δ = −42/38 = −1,105 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,6316 A
VR1 = IR1·R1 = 0,6316·4 = 2,526 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −0,4372 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​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​8 ΩAR5​8 ΩB+−V2​10 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
15·I1 + 8(I1 − I2) = 24
23·I1 − 8·I2 = 24

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
5·I2 + 8(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 21·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
10·I3 + 8(I3 − I2) = (−10)
−8·I2 + 18·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6070
I1 = Δ1/Δ = 6896/6070 = 1,136 A
I2 = Δ2/Δ = 1616/6070 = 0,2662 A
I3 = Δ3/Δ = −2654/6070 = −0,4372 A

Ответ

I3 = −0,4372 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 0,6609 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​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​6 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 = 15+6 = 21 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·21/(15+21) = 8,75 Ω
VA = 24·8,75/(20+8,75) = 7,304 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,304·6/21 = 2,087 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 7,304)/20 = 0,8348 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​2 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 23,57 = 4,783 Ω
VB = Is·Req = 2·4,783 = 9,565 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,565·8,571/23,57 = 3,478 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 3,478)/20 = −0,1739 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,8348 + (−0,1739) = 0,6609 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = 1,305 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​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​2 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) = 2 ∥ 7 = 1,556 Ω
VA = 24·1,556/(25+1,556) = 1,406 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,406·5/7 = 1,004 V
VR2′ = VA − VB = 1,406 − 1,004 = 0,4017 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​2 ΩAIs​2 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 = 1,852 Ω, поэтому левый путь — R2+1,852 = 3,852 Ω
Req = R4 ∥ 3,852 = 2,176 Ω
VB = Is·Req = (−2)·2,176 = −4,351 V
VA = VB·1,852/3,852 = −2,092 V
VR2″ = VA − VB = −2,092 − −4,351 = 2,259 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB+−V2​6 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 = 25·2/(25+2) = 1,852 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·3,852/8,852 = 2,611 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,611·1,852/3,852 = 1,255 V
VR2‴ = VA − VB = 1,255 − 2,611 = −1,356 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,4017 + 2,259 + (−1,356) = 1,305 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 7,5 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​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 10 = 11,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​6 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) = 10·6/(2+6) = 7,5 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 2,387 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​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​30 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 10 = 16,32 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​30 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) = 9,474 + 4·6,316 = 34,74 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 34,74 + 4·10 = 74,74 V
Rth​ = 16,32 Ω+−Vth​74,74 VRL​15 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) = 74,74/(16,32 + 15) = 2,387 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 3,582 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 + 4,7/2 = 3,35

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/3,35 = 3,582 V

Ответ

Vin,max = 3,582 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 6,136 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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 100 kΩ · 2,2 µF = 220 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,7)/220 = 0,01227 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,7)·500/220 = 6,136 V

Ответ

Vout = 6,136 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,3541 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 = 22 mH / 100 Ω = 0,22 ms
i(∞) = Vs/R = 15/100 = 0,15 A

Выразите время

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,22·ln(0,2) = 0,3541 ms

Ответ

t = 0,3541 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 11,38 kΩ

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.

Требуемая постоянная времени

7,58 = 12·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(12/(12 − 7,58))
τ = 25/0,9988 = 25,03 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 25,03/2,2 = 11,38 kΩ

Ответ

R = 11,38 kΩ

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