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​ = 12 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​15 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBR6​20 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 ΩR5 = 8 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩIR3​+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​30 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 21 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 ΩVA = 21 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 4 Ω+−VR2​R3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​6 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 Ω
VR2 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​10 ΩIR4​BIs​3 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR4, потребляемую R4.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
PR4 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​12 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​5 V

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

V1 = 12 VIs = 3 AV2 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 25 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 10 VIs = 0,5 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩRL = 3 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 0,3 VR1​ = 100 kΩV2​ = −2,9 VR3​ = 100 kΩR4​ = 22 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите напряжение V− на инвертирующем входе.

V1 = 0,3 VV2 = −2,9 VR1 = R3 = 100 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
V− = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1,5 VR1​ = 1 kΩV2​ = −1,8 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = 1,5 VV2 = −1,8 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 50% конечного значения? Найдите t.

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,2 V, ровно через 25 ms после старта. При R = 1 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 25 msR = 1 kΩ
C = µF

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,081 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 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 = 15 + 15 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 2·30/(2+30) = 1,875 Ω
Req = R1 + 1,875 = 12 + 1,875 = 13,88 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/13,88 = 1,081 A

Ответ

IR1 = 1,081 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,8319 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​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBR6​20 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 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 1,867 Ω
R3 + 1,867 = 16,87 Ω
R2 ∥ 16,87 = 4,426 Ω
Req = R1 + 4,426 = 10 + 4,426 = 14,43 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/14,43 = 0,8319 A

Ответ

IR1 = 0,8319 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −0,2872 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 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 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/3 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,4333·VA − 0,05·VB = 0,3

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/20 = 1,5
−0,05·VA + 0,2167·VB = 1,5

Решите

Δ = (0,4333)(0,2167) − (−0,05)(−0,05) = 0,09139
VA = Δ1/Δ = 0,14/0,09139 = 1,532 V
VB = Δ2/Δ = 0,665/0,09139 = 7,277 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (1,532 − 7,277)/20 = −0,2872 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 1,574 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

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(21 − 30)/25 + 21/20 = (VB − 21)/8
0,69 = (VB − 21)/8 → VB = 26,52 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (26,52 − 21)/8 + 26,52/30 = 1,574 A

Ответ

Is = 1,574 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = −0,2857 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​ = 20 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​30 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
20·I1 + 2(I1 − I2) = 9
22·I1 − 2·I2 = 9

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
2·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 4·I2 = −30

Решите

Δ = (22)(4) − (−2)(−2) = 84
I1 = Δ1/Δ = −24/84 = −0,2857 A
I2 = Δ2/Δ = −642/84 = −7,643 A

Ответ

I1 = −0,2857 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = −1,203 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​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​6 ΩAR5​15 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
20·I1 + 6(I1 − I2) = 5
26·I1 − 6·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
4·I2 + 6(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 25·I2 − 15·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
15·I3 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 30·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 12570
I1 = Δ1/Δ = 1545/12570 = 0,1229 A
I2 = Δ2/Δ = −3780/12570 = −0,3007 A
I3 = Δ3/Δ = −6918/12570 = −0,5504 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,3007 A
VR2 = IR2·R2 = −0,3007·4 = −1,203 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR4 = 33,55 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​20 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 = 12+10 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·22/(20+22) = 10,48 Ω
VA = 10·10,48/(15+10,48) = 4,112 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,112·10/22 = 1,869 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,869 − 0)/10 = 0,1869 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​3 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R2 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 20,57 = 6,729 Ω
VB = −Is·Req = −3·6,729 = −20,19 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −20,19·8,571/20,57 = −8,411 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−20,19 − 0)/10 = −2,019 A

Складываем вклады токов

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,1869 + (−2,019) = −1,832 A

Мощность в резисторе

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

PR4 = IR4²·R4 = (−1,832)²·10 = 33,55 W

Ответ

PR4 = 33,55 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 41,1 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,1691 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​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 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 ∥ 31 = 8,651 Ω
VA = 12·8,651/(4+8,651) = 8,206 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,206·25/31 = 6,618 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (8,206 − 0)/12 = 0,6838 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 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 = 3 Ω, поэтому левый путь — R2+3 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 6,618 Ω
VB = Is·Req = (−3)·6,618 = −19,85 V
VA = VB·3/9 = −6,618 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−6,618 − 0)/12 = −0,5515 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​12 ΩAОБРЫВB+−V2​5 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·9/34 = 1,324 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 1,324·3/9 = 0,4412 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (0,4412 − 0)/12 = 0,03676 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,6838 + (−0,5515) + 0,03676 = 0,1691 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,18 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​ = 15 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 15 = 18,75 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 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) = 9·6/(10+6) = 3,375 V
IN​0,18 ARth​18,75 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 = 3,375/18,75 = 0,18 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,591 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​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​10 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 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 25 = 30,45 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​0,5 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) = 4,545 + 0,5·5,455 = 7,273 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,273 + 0,5·25 = 19,77 V
Rth​ = 30,45 Ω+−Vth​19,77 VRL​3 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) = 19,77/(30,45 + 3) = 0,591 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = −0,523 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.

Напряжение на входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −2,9·22/(100 + 22) = −0,523 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = −0,523 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,462 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 = 1,5/1 = 1,5 mA
I2 = V2/R2 = −1,8/47 = −0,0383 mA
If = I1 + I2 = 1,462 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −1·1,462 = −1,462 V

Ответ

Vout = −1,462 V
13.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.

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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A

Выразите время

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −22·ln(0,5) = 15,25 ms

Ответ

t = 15,25 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 27,28 µF

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

7,2 = 12·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(12/(12 − 7,2))
τ = 25/0,9163 = 27,28 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 27,28/1 = 27,28 µF

Ответ

C = 27,28 µF

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