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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​5 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

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

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩAR5​12 ΩBIs​0,5 A+−V2​10 V

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

V1 = 15 VIs = 0,5 AV2 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩR5 = 12 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​12 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−VR3​+−V1​36 VR4​15 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.

V1 = 36 VV2 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 Ω
VR3 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​?

Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R4​ = 20 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩAIs​1,5 AB−+V2​12 V

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAIs​0,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
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 ±13 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 = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0,2 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,8 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = −0,2 VV2 = 0,8 VR1 = 1 kΩR2 = 100 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 68 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 99% конечного значения? Найдите t.

Vs = 24 VR = 68 ΩL = 47 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = ?C2,2 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4,5 V, ровно через 200 ms после старта. При C = 2,2 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 9 VVth = 4,5 VT = 200 msC = 2,2 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 21,64 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​5 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 2·9/(2+9) = 1,636 Ω
Req = R1 + 1,636 = 20 + 1,636 = 21,64 Ω

Ответ

Req = 21,64 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,6076 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​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBR6​5 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 = 20 + 5 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 33,11 Ω
R2 ∥ 33,11 = 12,47 Ω
Req = R1 + 12,47 = 6 + 12,47 = 18,47 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/18,47 = 0,9746 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,9746·6 = 12,15 V
IR2 = VA/R2 = 12,15/20 = 0,6076 A

Ответ

IR2 = 0,6076 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 7,653 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​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 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/5 + (VA − 15)/12 + (VA − VB)/5 = 0
0,4833·VA − 0,2·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/3 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,5333·VB = 5

Решите

Δ = (0,4833)(0,5333) − (−0,2)(−0,2) = 0,2178
VA = Δ1/Δ = 1,667/0,2178 = 7,653 V
VB = Δ2/Δ = 2,667/0,2178 = 12,24 V

Ответ

VA = 7,653 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 7,659 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​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩAR5​12 ΩBIs​0,5 A+−V2​10 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 V, V2 = 10 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/8 + (VA − 15)/25 + (VA − VB)/20 = 0
0,215·VA − 0,05·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/12 + (VB − VA)/20 + (VB − 10)/8 = 0,5
−0,05·VA + 0,2583·VB = 1,75

Решите

Δ = (0,215)(0,2583) − (−0,05)(−0,05) = 0,05304
VA = Δ1/Δ = 0,2425/0,05304 = 4,572 V
VB = Δ2/Δ = 0,4063/0,05304 = 7,659 V

Ответ

VB = 7,659 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,9394 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​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​12 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 24
27·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 12(I2 − I1) = (−9)
−12·I1 + 20·I2 = −9

Решите

Δ = (27)(20) − (−12)(−12) = 396
I1 = Δ1/Δ = 372/396 = 0,9394 A
I2 = Δ2/Δ = 45/396 = 0,1136 A

Ответ

I1 = 0,9394 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR3 = −12,75 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​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR4​15 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 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 + 15(I1 − I2) = 36
30·I1 − 15·I2 = 36

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
3·I2 + 15(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 48·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 40·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 21600
I1 = Δ1/Δ = 20520/21600 = 0,95 A
I2 = Δ2/Δ = −10800/21600 = −0,5 A
I3 = Δ3/Δ = −27540/21600 = −1,275 A

Ответ

IR3 = I3 = −1,275 A
VR3 = IR3·R3 = −1,275·10 = −12,75 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 3,214 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​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​8 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 = 10+8 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·18/(12+18) = 7,2 Ω
VA = 30·7,2/(2+7,2) = 23,48 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 23,48·8/18 = 10,43 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (23,48 − 10,43)/10 = 1,304 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.

R1 ∥ R2 = 1,714 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·8/19,71 = −0,4058·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 1,304 − 0,4058·Is = 0
Is = 1,304/0,4058 = 3,214 A

Ответ

Is = 3,214 A
8.Метод наложения

Ответ: IR2 = −0,3667 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​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​9 VR3​10 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) = 10 ∥ 30 = 7,5 Ω
VA = 9·7,5/(6+7,5) = 5 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5·20/30 = 3,333 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (5 − 3,333)/10 = 0,1667 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​10 ΩAIs​1,5 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 = 3,75 Ω, поэтому левый путь — R2+3,75 = 13,75 Ω
Req = R4 ∥ 13,75 = 8,148 Ω
VB = Is·Req = 1,5·8,148 = 12,22 V
VA = VB·3,75/13,75 = 3,333 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (3,333 − 12,22)/10 = −0,8889 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​10 ΩAОБРЫВB−+V2​12 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·13,75/33,75 = −4,889 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −4,889·3,75/13,75 = −1,333 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−1,333 − −4,889)/10 = 0,3556 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,1667 + (−0,8889) + 0,3556 = −0,3667 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,314 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​ = 20 ΩR3​ = 2 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 2 = 6,615 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 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/(20+6) = 2,077 V
IN​0,314 ARth​6,615 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 = 2,077/6,615 = 0,314 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 13,75 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​ = 8 ΩКЗR2​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 8 = 9,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​6 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) = 9 + 0,5·1,5 = 9,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,75 + 0,5·8 = 13,75 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 1,3 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| = 13/10 = 1,3 V

Ответ

Vin,max = 1,3 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 9,024 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 = −0,2/1 = −0,2 mA
I2 = V2/R2 = 0,8/100 = 0,008 mA
If = I1 + I2 = −0,192 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −47·(−0,192) = 9,024 V

Ответ

Vout = 9,024 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 3,183 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 = 47 mH / 68 Ω = 0,6912 ms
i(∞) = Vs/R = 24/68 = 0,3529 A

Выразите время

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −0,6912·ln(0,01) = 3,183 ms

Ответ

t = 3,183 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 131,2 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

4,5 = 9·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(9/(9 − 4,5))
τ = 200/0,6931 = 288,5 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 288,5/2,2 = 131,2 kΩ

Ответ

R = 131,2 kΩ

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