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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

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

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 ΩIR4​+−V1​18 VR3​3 ΩAR5​15 ΩBIs​6 A+−V2​36 V

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

V1 = 18 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 2 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
IR2 = A
7.Метод наложенияСредняя
линейная цепьVs​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 10 V и Is = 10 mA I = 15 mA; при Vs = 12 V и Is = 5 mA I = 14,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 10 V и Is = 8 mA.

10 V, 10 mA → 15 mA12 V, 5 mA → 14,5 mAVs = 10 V, Is = 8 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 Ω+−VR2​R4​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩAIs​4 AB+−V2​5 V

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

V1 = 30 VIs = 4 AV2 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

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

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 1 V

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

Vin = 1 VR1 = 10 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 2 kΩRf1​ = 4,7 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 2 kΩRf2​ = 10 kΩ

Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Входное напряжение Vin = 0,3 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 2 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 10 kΩVin = 0,3 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 20 Ωt = 0L68 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 0,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 10 ms.

i(0) = 0,5 AR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 VR1​ = 10 ΩR2​ = 20 Ωразмыкается при t = 0L22 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,733 A? Найдите t.

Vs = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mH
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,683 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​20 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 8·23/(8+23) = 5,935 Ω
Req = R1 + 5,935 = 2 + 5,935 = 7,935 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/7,935 = 2,268 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,268·2 = 13,46 V
IR2 = VA/R2 = 13,46/8 = 1,683 A

Ответ

IR2 = 1,683 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,2644 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​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​3 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 = 3 + 12 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 2,5 Ω
R3 + 2,5 = 12,5 Ω
R2 ∥ 12,5 = 7,692 Ω
Req = R1 + 7,692 = 15 + 7,692 = 22,69 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/22,69 = 0,2644 A

Ответ

IR1 = 0,2644 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 46,63 W

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 подают в A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 15)/12 + (VA − VB)/3 = 0
0,6167·VA − 0,3333·VB = 1,25

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)/3 = 3
−0,3333·VA + 0,4167·VB = 3

Решите

Δ = (0,6167)(0,4167) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1458
VA = Δ1/Δ = 1,521/0,1458 = 10,43 V
VB = Δ2/Δ = 2,267/0,1458 = 15,54 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 15,54·3 = 46,63 W

Ответ

PIs = 46,63 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −5,885 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​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩAR5​15 ΩBIs​6 A+−V2​36 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 36 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 − 18)/25 + (VA − VB)/5 = 0
0,5733·VA − 0,2·VB = 0,72

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/15 + (VB − VA)/5 + (VB − 36)/6 = (−6)
−0,2·VA + 0,4333·VB = 0

Решите

Δ = (0,5733)(0,4333) − (−0,2)(−0,2) = 0,2084
VA = Δ1/Δ = 0,312/0,2084 = 1,497 V
VB = Δ2/Δ = 0,144/0,2084 = 0,6908 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (0,6908 − 36)/6 = −5,885 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 1,579 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​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩA+−V2​6 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 + 8(I1 − I2) = 12
10·I1 − 8·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
6·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 14·I2 = −6

Решите

Δ = (10)(14) − (−8)(−8) = 76
I1 = Δ1/Δ = 120/76 = 1,579 A
I2 = Δ2/Δ = 36/76 = 0,4737 A

Ответ

I1 = 1,579 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,1288 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​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 5
14·I1 − 10·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
10·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 30·I2 − 10·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 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 25·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6600
I1 = Δ1/Δ = 1750/6600 = 0,2652 A
I2 = Δ2/Δ = −850/6600 = −0,1288 A
I3 = Δ3/Δ = −4300/6600 = −0,6515 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,1288 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 14 mA

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.

Записываем отклик как сумму вкладов

Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.

I = k₁·Vs + k₂·Is
10·k₁ + 10·k₂ = 15
12·k₁ + 5·k₂ = 14,5

Находим константы

Δ = (10)(5) − (10)(12) = −70
k₁ = Δ1/Δ = −70/−70 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −35/−70 = 0,5
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,5

Предсказываем новый ток

I = 1·10 + 0,5·8 = 14 mA

Ответ

I = 14 mA
8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −3,989 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​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​30 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 ∥ 36 = 6,545 Ω
VA = 30·6,545/(2+6,545) = 22,98 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 22,98·6/36 = 3,83 V
VR2′ = VA − VB = 22,98 − 3,83 = 19,15 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​8 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 = 1,6 Ω, поэтому левый путь — R2+1,6 = 31,6 Ω
Req = R4 ∥ 31,6 = 5,043 Ω
VB = Is·Req = 4·5,043 = 20,17 V
VA = VB·1,6/31,6 = 1,021 V
VR2″ = VA − VB = 1,021 − 20,17 = −19,15 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​8 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·31,6/37,6 = 4,202 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,202·1,6/31,6 = 0,2128 V
VR2‴ = VA − VB = 0,2128 − 4,202 = −3,989 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 19,15 + (−19,15) + (−3,989) = −3,989 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 9,783 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​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 12 = 17,22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​15 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) = 15·15/(8+15) = 9,783 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 137,1 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​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​15 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 15 = 19,29 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 21,43 + 6·4,286 = 47,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 47,14 + 6·15 = 137,1 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 5,7 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₊ = 1 V
I = V₋/R1 = 1/10 = 0,1 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1 + 0,1·47 = 5,7 V

Ответ

Vout = 5,7 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −4,23 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 каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −4,7/2 = −2,35
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/2 = 6

Каскад за каскадом

V1 = −2,35·0,3 = −0,705 V
Vout = 6·(−0,705) = −4,23 V

Ответ

Vout = −4,23 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,0264 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

τ = L/R = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms

Убывание тока

i(t) = 0,5·e−10/3,4 = 0,0264 A

Ответ

i = 0,0264 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,3752 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

До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.

i(0) = 10/10 = 1 A
i(∞) = 10/(10 + 20) = 0,3333 A
τ = L/R = 22/30 = 0,7333 ms
i(t) = 0,3333 + (1 − 0,3333)·e−t/τ

Выразите время

e−t/τ = (0,733 − 0,3333)/(1 − 0,3333) = 0,5995
t = 0,7333·ln(1,668) = 0,3752 ms

Ответ

t = 0,3752 ms

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