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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​8 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​6 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​15 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 5 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 ΩR5 = 2 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

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

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 5 Ω+−Vs​ = 12 VIx​+−V1​30 VR2​6 ΩAR3​2 ΩBIs​0,5 A

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт VA − VB = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.

V1 = 30 VIs = 0,5 AVs = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Ix = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩIR2​+−V1​6 VR3​8 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 Ω
IR2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​6 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 ΩR5 = 6 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​5 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 30 VIs = 2,5 AR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​5 VR3​4 ΩIR3​AIs​0,5 AB−+V2​12 V

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

V1 = 5 VIs = 0,5 AV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAIs​4 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 2 kΩVin​

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 2 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = −0,8 VR = 2,2 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −0,8 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.

Vin = −0,8 VR = 2,2 kΩC = 0,47 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 1 kΩC100 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.

Vs = 10 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 100 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 5 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 6,5 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 5 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 7,81 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​8 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 = 8 + 8 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
Req = R1 + 3,81 = 4 + 3,81 = 7,81 Ω

Ответ

Req = 7,81 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1217 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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​6 ΩAR4​8 ΩBR6​15 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 5,44 Ω
R3 + 5,44 = 35,44 Ω
R2 ∥ 35,44 = 5,131 Ω
Req = R1 + 5,131 = 30 + 5,131 = 35,13 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 5/35,13 = 0,1423 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,1423·30 = 0,7303 V
IR2 = VA/R2 = 0,7303/6 = 0,1217 A

Ответ

IR2 = 0,1217 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 106,4 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/10 + (VA − 18)/2 + (VA − VB)/15 = 0
0,6667·VA − 0,06667·VB = 9

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/15 = 3
−0,06667·VA + 0,1167·VB = 3

Решите

Δ = (0,6667)(0,1167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,07333
VA = Δ1/Δ = 1,25/0,07333 = 17,05 V
VB = Δ2/Δ = 2,6/0,07333 = 35,45 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 = 35,45·3 = 106,4 W

Ответ

PIs = 106,4 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Ix = 0,7115 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA − 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 30)/5 + VA/6 + (VA − 12)/2 = 0,5
VA·(1/5 + 1/6 + 1/2) = 0,5 + 30/5 + 12/2 = 12,5
VA = 12,5/0,8667 = 14,42 V
VB = 2,423 V

Ток через источник напряжения

ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.

IR1 = (30 − 14,42)/5 = 3,115 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 3,115 − 14,42/6 = 0,7115 A

Ответ

Ix = 0,7115 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

5.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −1,167 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​ = 2 Ω+−V1​6 VR3​8 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
2·I1 + 8(I1 − I2) = 6
10·I1 − 8·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
2·I2 + 8(I2 − I1) = (−9)
−8·I1 + 10·I2 = −9

Решите

Δ = (10)(10) − (−8)(−8) = 36
I1 = Δ1/Δ = −12/36 = −0,3333 A
I2 = Δ2/Δ = −42/36 = −1,167 A

Ответ

IR2 = I2 = −1,167 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,2025 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​ = 6 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​6 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
6·I1 + 2(I1 − I2) = 5
8·I1 − 2·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
30·I2 + 2(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 38·I2 − 6·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
5·I3 + 6(I3 − I2) = (−15)
−6·I2 + 11·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3012
I1 = Δ1/Δ = 1730/3012 = 0,5744 A
I2 = Δ2/Δ = −610/3012 = −0,2025 A
I3 = Δ3/Δ = −4440/3012 = −1,474 A

Ответ

I2 = −0,2025 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = −0,3643 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​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​3 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 = 8+5 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·13/(3+13) = 2,438 Ω
VA = 30·2,438/(10+2,438) = 5,879 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,879·5/13 = 2,261 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (5,879 − 2,261)/8 = 0,4523 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​3 ΩAR4​5 ΩBIs​2,5 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.

R1 ∥ R2 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 10,31 = 3,367 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,367 = 8,417 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,417·2,308/10,31 = 1,884 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (1,884 − 8,417)/8 = −0,8166 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,4523 + (−0,8166) = −0,3643 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = −0,3261 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​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​5 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 ∥ 12 = 3 Ω
VA = 5·3/(20+3) = 0,6522 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,6522·6/12 = 0,3261 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (0,6522 − 0)/4 = 0,163 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​4 ΩAIs​0,5 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 = 3,333 Ω, поэтому левый путь — R2+3,333 = 9,333 Ω
Req = R4 ∥ 9,333 = 3,652 Ω
VB = Is·Req = 0,5·3,652 = 1,826 V
VA = VB·3,333/9,333 = 0,6522 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (0,6522 − 0)/4 = 0,163 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​4 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·9,333/15,33 = −7,304 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,304·3,333/9,333 = −2,609 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−2,609 − 0)/4 = −0,6522 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,163 + 0,163 + (−0,6522) = −0,3261 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 5,333 Ω

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​4 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 52,8 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​ = 15 ΩR3​ = 6 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 6 = 12 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​10 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) = 4,8 + 4·6 = 28,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28,8 + 4·6 = 52,8 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 0,2549 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/2 = 51

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/51 = 0,2549 V

Ответ

Vin,max = 0,2549 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: t = 16,8 ms

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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 2,2 kΩ · 0,47 µF = 1,034 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−0,8)/1,034 = 0,7737 V/ms

Время до насыщения

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·1,034/0,8 = 16,8 ms

Ответ

t = 16,8 ms
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: τ = 76,74 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

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

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·1/(3,3 + 1) = 0,7674 kΩ
vC(∞) = 10·1/(3,3 + 1) = 2,326 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 0,7674·100 = 76,74 ms

Ответ

τ = 76,74 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 167,6 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

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 10 + (5 − 10)·e−t/τ

Выразите время

6,5 = 10 + (−5)·e−t/τ → e−t/τ = (6,5 − 10)/(5 − 10) = 0,7
t = τ·ln((5 − 10)/(6,5 − 10)) = 470·ln(1,429) = 167,6 ms

Ответ

t = 167,6 ms

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