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​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​8 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 12 ΩIR1​−+Vs​ = 15 V+−V1​12 VR2​20 ΩAR3​10 ΩBIs​4 A

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 12 VIs = 4 AVs = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR4​20 ΩIR4​AR5​20 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 Ω
IR4 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​10 ΩBIs​4 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR2, потребляемую R2.

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
PR2 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 ΩIR4​+−V1​5 VR3​25 ΩAIs​5 AB+−V2​12 V

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

V1 = 5 VIs = 5 AV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 2,2 VR1​ = 1 kΩV2​ = 2,4 VR3​ = 1 kΩR4​ = 4,7 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите напряжение V− на инвертирующем входе.

V1 = 2,2 VV2 = 2,4 VR1 = R3 = 1 kΩR2 = R4 = 4,7 kΩ
V− = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 1 kΩRf1​ = 10 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 10 kΩRf2​ = 1 kΩ

Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Входное напряжение Vin = −0,45 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 1 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 1 kΩVin = −0,45 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL220 mHi(t)

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

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 3,3 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 11,4 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 12 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8,207 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​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​4 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 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 20·9/(20+9) = 6,207 Ω
Req = R1 + 6,207 = 2 + 6,207 = 8,207 Ω

Ответ

Req = 8,207 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,022 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​4 ΩBR6​8 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 + 8 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2,857 Ω
R3 + 2,857 = 22,86 Ω
R2 ∥ 22,86 = 4,752 Ω
Req = R1 + 4,752 = 3 + 4,752 = 7,752 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/7,752 = 1,29 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,29·3 = 6,13 V
IR2 = VA/R2 = 6,13/6 = 1,022 A

Ответ

IR2 = 1,022 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −0,9057 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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 − 12)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,65·VA − 0,25·VB = 2,4

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)/4 = 1,5
−0,25·VA + 0,3·VB = 1,5

Решите

Δ = (0,65)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,1325
VA = Δ1/Δ = 1,095/0,1325 = 8,264 V
VB = Δ2/Δ = 1,575/0,1325 = 11,89 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (8,264 − 11,89)/4 = −0,9057 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = −0,25 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 + 15
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 12)/12 + VA/20 + (VA + 15)/10 = 4
VA·(1/12 + 1/20 + 1/10) = 4 + 12/12 − 15/10 = 3,5
VA = 3,5/0,2333 = 15 V
VB = 30 V

Ток через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 15)/12 = −0,25 A

Ответ

IR1 = −0,25 A

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

5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,7692 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​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​10 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 10
14·I1 − 10·I2 = 10

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 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 22·I2 = −6

Решите

Δ = (14)(22) − (−10)(−10) = 208
I1 = Δ1/Δ = 160/208 = 0,7692 A
I2 = Δ2/Δ = 16/208 = 0,07692 A

Ответ

I1 = 0,7692 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR4 = 0,9551 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​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR4​20 ΩAR5​20 ΩB+−V2​9 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 + 20(I1 − I2) = 30
26·I1 − 20·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 + 20(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 46·I2 − 20·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
30·I3 + 20(I3 − I2) = (−9)
−20·I2 + 50·I3 = −9

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 29400
I1 = Δ1/Δ = 53400/29400 = 1,816 A
I2 = Δ2/Δ = 25320/29400 = 0,8612 A
I3 = Δ3/Δ = 4836/29400 = 0,1645 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 0,9551 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR2 = 22,4 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​10 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 = 4+10 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·14/(12+14) = 6,462 Ω
VA = 10·6,462/(20+6,462) = 2,442 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,442·10/14 = 1,744 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,442 − 0)/12 = 0,2035 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​12 ΩAR4​10 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 11,5 = 5,349 Ω
VB = Is·Req = 4·5,349 = 21,4 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 21,4·7,5/11,5 = 13,95 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (13,95 − 0)/12 = 1,163 A

Складываем вклады токов

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,2035 + 1,163 = 1,366 A

Мощность в резисторе

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

PR2 = IR2²·R2 = 1,366²·12 = 22,4 W

Ответ

PR2 = 22,4 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 16,72 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −3,471 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​ = 4 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​5 VR3​25 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) = 25 ∥ 8 = 6,061 Ω
VA = 5·6,061/(20+6,061) = 1,163 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,163·4/8 = 0,5814 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 0,5814)/4 = −0,1453 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​25 ΩAIs​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 = 11,11 Ω, поэтому левый путь — R2+11,11 = 15,11 Ω
Req = R4 ∥ 15,11 = 3,163 Ω
VB = Is·Req = 5·3,163 = 15,81 V
VA = VB·11,11/15,11 = 11,63 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 15,81)/4 = −3,953 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​25 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 = 20·25/(20+25) = 11,11 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·15,11/19,11 = 9,488 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,488·11,11/15,11 = 6,977 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (12 − 9,488)/4 = 0,6279 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,1453) + (−3,953) + 0,6279 = −3,471 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,6857 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​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​20 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 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) = 6·20/(5+20) = 4,8 V
IN​0,6857 ARth​7 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 = 4,8/7 = 0,6857 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1,333 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​ = 30 ΩR3​ = 15 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 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 15 = 22,5 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​10 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) = 7,5 + 1·7,5 = 15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15 + 1·15 = 30 V
IN​1,333 ARth​22,5 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 = 30/22,5 = 1,333 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = 1,979 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.

Напряжение на входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2,4·4,7/(1 + 4,7) = 1,979 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = 1,979 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,95 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 каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −10/1 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1,1

Каскад за каскадом

V1 = −10·(−0,45) = 4,5 V
Vout = 1,1·4,5 = 4,95 V

Ответ

Vout = 4,95 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1222 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 = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,18·(1 − e−5/4,4) = 0,1222 A

Ответ

i = 0,1222 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 258,9 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 220 µF = 726 ms
vC(t) = 10 + (12 − 10)·e−t/τ

Выразите время

11,4 = 10 + (2)·e−t/τ → e−t/τ = (11,4 − 10)/(12 − 10) = 0,7
t = τ·ln((12 − 10)/(11,4 − 10)) = 726·ln(1,429) = 258,9 ms

Ответ

t = 258,9 ms

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