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​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​3 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​3 ΩBR6​20 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​15 Ω+−V1​15 VR2​6 Ω+−V2​9 VR3​8 ΩI3​A

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩV2 = 9 VR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​3 ΩBIs​2,5 A+−V2​6 V

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

V1 = 6 VIs = 2,5 AV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 3 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR4​12 ΩAR5​8 Ω+−VR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR5 на R5 с указанной полярностью.

V1 = 30 VV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 Ω
VR5 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​15 Ω−+VR2​AR4​2 ΩBIs​4 A

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

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​15 ΩAIs​4 AB+−V2​24 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR1, потребляемую R1.

V1 = 15 VIs = 4 AV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
PR1 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​1 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩVin​R1​ = 4,7 kΩ

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 0,22 µFVin​ = −0,5 VR = 4,7 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −0,5 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 2 ms.

Vin = −0,5 VR = 4,7 kΩC = 0,22 µFVsat = ±14 Vt = 2 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 68 Ωt = 0L68 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vразмыкается при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 4,7 kΩC68 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 = 500 ms.

Vs = 12 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 68 µFt = 500 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 5,273 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​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​3 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 4·18/(4+18) = 3,273 Ω
Req = R1 + 3,273 = 2 + 3,273 = 5,273 Ω

Ответ

Req = 5,273 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 14,15 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​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​3 ΩBR6​20 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 2,743 Ω
R3 + 2,743 = 7,743 Ω
R2 ∥ 7,743 = 6,154 Ω
Req = R1 + 6,154 = 8 + 6,154 = 14,15 Ω

Ответ

Req = 14,15 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I3 = −0,8721 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.

ЗТК в узле A

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − 15)/15 + (VA − 9)/6 + VA/8 = 0

Находим VA

VA = (15/15 + 9/6 + 0/8) / (1/15 + 1/6 + 1/8) = 2,5/0,3583 = 6,977 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,977)/8 = −0,8721 A

Ответ

I3 = −0,8721 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 2,495 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​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​3 ΩBIs​2,5 A+−V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 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/4 + (VA − 6)/4 + (VA − VB)/30 = 0
0,5333·VA − 0,03333·VB = 1,5

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/3 + (VB − VA)/30 + (VB − 6)/20 = (−2,5)
−0,03333·VA + 0,4167·VB = −2,2

Решите

Δ = (0,5333)(0,4167) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,2211
VA = Δ1/Δ = 0,5517/0,2211 = 2,495 V
VB = Δ2/Δ = −1,123/0,2211 = −5,08 V

Ответ

VA = 2,495 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,1818 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​ = 10 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩA+−V2​10 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
10·I1 + 4(I1 − I2) = 30
14·I1 − 4·I2 = 30

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
5·I2 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 9·I2 = −10

Решите

Δ = (14)(9) − (−4)(−4) = 110
I1 = Δ1/Δ = 230/110 = 2,091 A
I2 = Δ2/Δ = −20/110 = −0,1818 A

Ответ

I2 = −0,1818 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR5 = 15,51 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR4​12 ΩAR5​8 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 + 12(I1 − I2) = 30
20·I1 − 12·I2 = 30

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
6·I2 + 12(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 26·I2 − 8·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
12·I3 + 8(I3 − I2) = (−36)
−8·I2 + 20·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6240
I1 = Δ1/Δ = 10224/6240 = 1,638 A
I2 = Δ2/Δ = 1440/6240 = 0,2308 A
I3 = Δ3/Δ = −10656/6240 = −1,708 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 1,938 A
VR5 = IR5·R5 = 1,938·8 = 15,51 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = −5 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​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​2 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+2 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
VA = 6·6,667/(12+6,667) = 2,143 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,143·2/12 = 0,3571 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 2,143 = −2,143 V
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​4 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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 16,67 = 1,786 Ω
VB = Is·Req = 4·1,786 = 7,143 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,143·6,667/16,67 = 2,857 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 2,857 = −2,857 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−2,143) + (−2,857) = −5 V

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

8.Метод наложения

Ответ: PR1 = 3,305 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 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​15 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) = 15 ∥ 14 = 7,241 Ω
VA = 15·7,241/(6+7,241) = 8,203 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,203·6/14 = 3,516 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 8,203)/6 = 1,133 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​15 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 = 4,286 Ω, поэтому левый путь — R2+4,286 = 12,29 Ω
Req = R4 ∥ 12,29 = 4,031 Ω
VB = Is·Req = 4·4,031 = 16,13 V
VA = VB·4,286/12,29 = 5,625 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5,625)/6 = −0,9375 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​15 ΩAОБРЫВB+−V2​24 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·12,29/18,29 = 16,13 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,13·4,286/12,29 = 5,625 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5,625)/6 = −0,9375 A

Складываем вклады токов

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 1,133 + (−0,9375) + (−0,9375) = −0,7422 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR1 = IR1²·R1 = (−0,7422)²·6 = 3,305 W

Ответ

PR1 = 3,305 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 18,25 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,7895 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​ = 2 ΩR3​ = 8 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 8 = 9,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 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) = 10·6/(2+6) = 7,5 V
IN​0,7895 ARth​9,5 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 = 7,5/9,5 = 0,7895 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 1,104 W

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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​8 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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 10 = 14,8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​1 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 + (−1)·4,8 = −0,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8 + (−1)·10 = −10,8 V
Rth​ = 14,8 Ω−+Vth​10,8 VRL​3 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) = −10,8/(14,8 + 3) = −0,6067 A
PL = IL²·RL = −0,6067²·3 = 1,104 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 2,991 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 = 22/4,7 = 4,681

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/4,681 = 2,991 V

Ответ

Vin,max = 2,991 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,9671 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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 4,7 kΩ · 0,22 µF = 1,034 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−0,5)/1,034 = 0,4836 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,5)·2/1,034 = 0,9671 V

Ответ

Vout = 0,9671 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,7358 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 / 68 Ω = 1 ms

Убывание тока

i(t) = 2·e−1/1 = 0,7358 A

Ответ

i = 0,7358 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 1,255 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) = 12·4,7/(4,7 + 4,7) = 6 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 4,7·68 = 319,6 ms

Разряд

vC(t) = 6·e−500/319,6 = 1,255 V

Ответ

vC = 1,255 V

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