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​ = 6 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩR5 = 30 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBIs​5 A

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

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩAR5​6 ΩBIs​0,5 A−+V2​6 V

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

V1 = 15 VIs = 0,5 AV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 6 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 6 VV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 Ω+−VR2​R3​ = 8 Ω+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
VR2 = V
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 = 20 V и Is = 6 mA I = 18,8 mA; при Vs = 4 V и Is = 10 mA I = 2 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 1 mA.

20 V, 6 mA → 18,8 mA4 V, 10 mA → 2 mAVs = 5 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​36 VR3​4 ΩAIs​4 AB+−V2​18 V

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

V1 = 36 VIs = 4 AV2 = 18 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 10 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

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

R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,2 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,9 VR2​ = 2 kΩIf​

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

V1 = −1,2 VV2 = 0,9 VR1 = 100 kΩR2 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 2,2 kΩC68 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.

Vs = 30 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 68 µFt = 150 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 VR1​ = 15 ΩR2​ = 33 Ωразмыкается при t = 0L220 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.

Vs = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 33 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,561 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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​8 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Req = R1 + 5,714 = 6 + 5,714 = 11,71 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/11,71 = 2,561 A

Ответ

IR1 = 2,561 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,8791 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​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBR6​4 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 = 30 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 8,87 Ω
R3 + 8,87 = 20,87 Ω
R2 ∥ 20,87 = 1,825 Ω
Req = R1 + 1,825 = 5 + 1,825 = 6,825 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/6,825 = 0,8791 A

Ответ

IR1 = 0,8791 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 101,5 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/12 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,5833·VA − 0,25·VB = 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)/4 = 5
−0,25·VA + 0,4167·VB = 5

Решите

Δ = (0,5833)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1806
VA = Δ1/Δ = 2,5/0,1806 = 13,85 V
VB = Δ2/Δ = 3,667/0,1806 = 20,31 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 = 20,31·5 = 101,5 W

Ответ

PIs = 101,5 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 0,5093 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​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩAR5​6 ΩBIs​0,5 A−+V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 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/20 + (VA − 15)/25 + (VA − VB)/15 = 0
0,1567·VA − 0,06667·VB = 0,6

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/6 + (VB − VA)/15 + (VB − (−6))/10 = 0,5
−0,06667·VA + 0,3333·VB = −0,1

Решите

Δ = (0,1567)(0,3333) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,04778
VA = Δ1/Δ = 0,1933/0,04778 = 4,047 V
VB = Δ2/Δ = 0,02433/0,04778 = 0,5093 V

Ответ

VB = 0,5093 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,2727 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​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​10 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
20·I1 + 10(I1 − I2) = 6
30·I1 − 10·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
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 18·I2 = −6

Решите

Δ = (30)(18) − (−10)(−10) = 440
I1 = Δ1/Δ = 48/440 = 0,1091 A
I2 = Δ2/Δ = −120/440 = −0,2727 A

Ответ

I2 = −0,2727 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = 1,067 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​10 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 12
14·I1 − 10·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 24·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−10)
−10·I2 + 18·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2848
I1 = Δ1/Δ = 2984/2848 = 1,048 A
I2 = Δ2/Δ = 760/2848 = 0,2669 A
I3 = Δ3/Δ = −1160/2848 = −0,4073 A

Ответ

IR2 = I2 = 0,2669 A
VR2 = IR2·R2 = 0,2669·4 = 1,067 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 4,8 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
20·k₁ + 6·k₂ = 18,8
4·k₁ + 10·k₂ = 2

Находим константы

Δ = (20)(10) − (6)(4) = 176
k₁ = Δ1/Δ = 176/176 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −35,2/176 = −0,2
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,2

Предсказываем новый ток

I = 1·5 + (−0,2)·1 = 4,8 mA

Ответ

I = 4,8 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR4 = 1,065 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​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​36 VR3​4 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) = 4 ∥ 33 = 3,568 Ω
VA = 36·3,568/(25+3,568) = 4,496 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,496·30/33 = 4,087 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 4,087)/30 = −0,1362 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​4 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 = 3,448 Ω, поэтому левый путь — R2+3,448 = 6,448 Ω
Req = R4 ∥ 6,448 = 5,307 Ω
VB = Is·Req = (−4)·5,307 = −21,23 V
VA = VB·3,448/6,448 = −11,35 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − −21,23)/30 = 0,7077 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​4 ΩAОБРЫВB+−V2​18 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 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·6,448/36,45 = 3,184 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,184·3,448/6,448 = 1,703 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (18 − 3,184)/30 = 0,4939 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,1362) + 0,7077 + 0,4939 = 1,065 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1,765 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​ = 6 ΩR3​ = 3 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 3 = 7,286 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 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) = 18·15/(6+15) = 12,86 V
IN​1,765 ARth​7,286 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 = 12,86/7,286 = 1,765 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 4,159 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​ = 3 ΩR3​ = 30 ΩКЗR2​3 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 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 30 = 31,5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​3 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) = 5 + 4·1,5 = 11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11 + 4·30 = 131 V
IN​4,159 ARth​31,5 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 = 131/31,5 = 4,159 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 1,2 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| = Rf/R1 = 10/1 = 10

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/10 = 1,2 V

Ответ

Vin,max = 1,2 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = 0,438 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 = −1,2/100 = −0,012 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/2 = 0,45 mA
If = I1 + I2 = 0,438 mA

Ответ

If = 0,438 mA
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 9,744 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·2,2/(3,3 + 2,2) = 1,32 kΩ
vC(∞) = 30·2,2/(3,3 + 2,2) = 12 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,32·68 = 89,76 ms

Кривая заряда

vC(t) = 12·(1 − e−150/89,76) = 9,744 V

Ответ

vC = 9,744 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,8695 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

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

i(0) = 24/15 = 1,6 A
i(∞) = 24/(15 + 33) = 0,5 A
τ = L/R = 220/48 = 4,583 ms
i(t) = 0,5 + (1,6 − 0,5)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(5) = 0,5 + (1,1)·e−5/4,583 = 0,8695 A

Ответ

i = 0,8695 A

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