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​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBR6​5 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 4 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBIs​3 A

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

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​1,5 A+−V2​36 V

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

V1 = 12 VIs = 1,5 AV2 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​5 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 Ω+−VR1​R2​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
VR1 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​5 ΩIR4​BIs​5 A

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

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
PR4 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​6 Ω+−VR3​AIs​1 AB+−V2​18 V

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

V1 = 36 VIs = 1 AV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩARL​8 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAIs​5 ABRL​20 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 3.

R1 = 100 kΩAv = 3
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −0,1 VR1​ = 10 kΩV2​ = −0,6 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = −0,1 VV2 = −0,6 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 33 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.

Vs = 9 VR = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vразмыкается при t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3,3 kΩC47 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.

Vs = 10 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 47 µFt = 400 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,6019 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​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​2 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 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Req = R1 + 4,615 = 12 + 4,615 = 16,62 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/16,62 = 0,6019 A

Ответ

IR1 = 0,6019 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 11,6 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​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​2 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 1,636 Ω
R3 + 1,636 = 26,64 Ω
R2 ∥ 26,64 = 9,596 Ω
Req = R1 + 9,596 = 2 + 9,596 = 11,6 Ω

Ответ

Req = 11,6 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 14,14 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 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/6 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,6167·VA − 0,25·VB = 3,6

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 = 3
−0,25·VA + 0,4167·VB = 3

Решите

Δ = (0,6167)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1944
VA = Δ1/Δ = 2,25/0,1944 = 11,57 V
VB = Δ2/Δ = 2,75/0,1944 = 14,14 V

Ответ

VB = 14,14 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 6,914 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​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​1,5 A+−V2​36 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/25 + (VA − 12)/30 + (VA − VB)/2 = 0
0,5733·VA − 0,5·VB = 0,4

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)/2 + (VB − 36)/15 = (−1,5)
−0,5·VA + 0,6167·VB = 0,9

Решите

Δ = (0,5733)(0,6167) − (−0,5)(−0,5) = 0,1036
VA = Δ1/Δ = 0,6967/0,1036 = 6,727 V
VB = Δ2/Δ = 0,716/0,1036 = 6,914 V

Ответ

VB = 6,914 V
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,2045 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​ = 12 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​5 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 12
17·I1 − 5·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
12·I2 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 17·I2 = −30

Решите

Δ = (17)(17) − (−5)(−5) = 264
I1 = Δ1/Δ = 54/264 = 0,2045 A
I2 = Δ2/Δ = −450/264 = −1,705 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,2045 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 15,01 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​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR4​10 ΩAR5​10 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 36
18·I1 − 10·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 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 23·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
6·I3 + 10(I3 − I2) = (−36)
−10·I2 + 16·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3224
I1 = Δ1/Δ = 6048/3224 = 1,876 A
I2 = Δ2/Δ = −720/3224 = −0,2233 A
I3 = Δ3/Δ = −7704/3224 = −2,39 A

Ответ

IR1 = I1 = 1,876 A
VR1 = IR1·R1 = 1,876·8 = 15,01 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR4 = 62,66 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​5 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+5 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VA = 18·4/(6+4) = 7,2 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,2·5/20 = 1,8 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,8 − 0)/5 = 0,36 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​5 ΩAR4​5 ΩBIs​5 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 17,73 = 3,9 Ω
VB = −Is·Req = −5·3,9 = −19,5 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −19,5·2,727/17,73 = −3 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−19,5 − 0)/5 = −3,9 A

Складываем вклады токов

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,36 + (−3,9) = −3,54 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 = (−3,54)²·5 = 62,66 W

Ответ

PR4 = 62,66 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 76,7 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: VR3 = 16,36 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​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​6 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) = 6 ∥ 10 = 3,75 Ω
VA = 36·3,75/(10+3,75) = 9,818 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 9,818·6/10 = 5,891 V
VR3′ = VA − 0 = 9,818 − 0 = 9,818 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 ΩAIs​1 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 = 7,75 Ω
Req = R4 ∥ 7,75 = 3,382 Ω
VB = Is·Req = 1·3,382 = 3,382 V
VA = VB·3,75/7,75 = 1,636 V
VR3″ = VA − 0 = 1,636 − 0 = 1,636 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·7,75/13,75 = 10,15 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,15·3,75/7,75 = 4,909 V
VR3‴ = VA − 0 = 4,909 − 0 = 4,909 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 9,818 + 1,636 + 4,909 = 16,36 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,1417 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​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​5 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 20 = 23,75 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​5 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) = 18·5/(15+5) = 4,5 V
Rth​ = 23,75 Ω+−Vth​4,5 VRL​8 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) = 4,5/(23,75 + 8) = 0,1417 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 2,016 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​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 8 = 11 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAIs​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) = 7,5 + 5·3 = 22,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,5 + 5·8 = 62,5 V
Rth​ = 11 Ω+−Vth​62,5 VRL​20 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) = 62,5/(11 + 20) = 2,016 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 200 kΩ

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 неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (3 − 1)·100 = 200 kΩ

Ответ

Rf = 200 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,5009 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 = −0,1/10 = −0,01 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/47 = −0,01277 mA
If = I1 + I2 = −0,02277 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −22·(−0,02277) = 0,5009 V

Ответ

Vout = 0,5009 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2486 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 и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 68 mH / 33 Ω = 2,061 ms
i(∞) = Vs/R = 9/33 = 0,2727 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,2727·(1 − e−5/2,061) = 0,2486 A

Ответ

i = 0,2486 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 0,1882 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.

Начальное напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 10·3,3/(10 + 3,3) = 2,481 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 3,3·47 = 155,1 ms

Разряд

vC(t) = 2,481·e−400/155,1 = 0,1882 V

Ответ

vC = 0,1882 V

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