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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​5 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​10 ΩBR6​20 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 5 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

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

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 Ω+−Vs​ = 9 V+−V1​18 VR2​5 ΩAR3​20 ΩBIs​6 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 узловое напряжение VB (относительно земли).

V1 = 18 VIs = 6 AVs = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 Ω+−VR1​R2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
VR1 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R3​ = 12 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​5 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 ΩR5 = 5 Ω
IR2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩIR2​AR4​10 ΩBIs​4 A

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

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 Ω−+VR2​R4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAIs​1 AB+−V2​12 V

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

V1 = 9 VIs = 1 AV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​1,5 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 36 VIs = 1,5 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩRL = 3 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = 1 VRa​ = 2 kΩRb​ = 10 kΩ

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

Vin = 1 VRa = 2 kΩRb = 10 kΩR1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 1,9 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,5 VR3​ = 1 kΩR4​ = 22 kΩ

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 1,9 VV2 = 0,5 VR1 = 100 kΩR2 = 10 kΩR3 = 1 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 50 Ωt = 0L22 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 1 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,2 A? Найдите t.

i(0) = 1 AR = 50 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 VR1​ = 15 ΩR2​ = 47 Ωзамыкается при t = 0L47 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.

Vs = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,9857 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​15 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Req = R1 + 5,217 = 10 + 5,217 = 15,22 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/15,22 = 0,9857 A

Ответ

IR1 = 0,9857 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,2829 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​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​10 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 7,143 Ω
R3 + 7,143 = 19,14 Ω
R2 ∥ 19,14 = 1,811 Ω
Req = R1 + 1,811 = 30 + 1,811 = 31,81 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/31,81 = 0,2829 A

Ответ

IR1 = 0,2829 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −2,075 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​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 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/3 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0,9333·VA − 0,1·VB = 5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/10 = 5
−0,1·VA + 0,2·VB = 5

Решите

Δ = (0,9333)(0,2) − (−0,1)(−0,1) = 0,1767
VA = Δ1/Δ = 1,5/0,1767 = 8,491 V
VB = Δ2/Δ = 5,167/0,1767 = 29,25 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (8,491 − 29,25)/10 = −2,075 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 15,16 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.

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 − 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 18)/15 + VA/5 + (VA − 9)/20 = 6
VA·(1/15 + 1/5 + 1/20) = 6 + 18/15 + 9/20 = 7,65
VA = 7,65/0,3167 = 24,16 V
VB = 15,16 V

Ответ

VB = 15,16 V
5.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 1,059 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​ = 5 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​6 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
5·I1 + 6(I1 − I2) = 18
11·I1 − 6·I2 = 18

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 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 11·I2 = −30

Решите

Δ = (11)(11) − (−6)(−6) = 85
I1 = Δ1/Δ = 18/85 = 0,2118 A
I2 = Δ2/Δ = −222/85 = −2,612 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,2118 A
VR1 = IR1·R1 = 0,2118·5 = 1,059 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,2051 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​ = 12 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​5 ΩB+−V2​24 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 + 5(I1 − I2) = 10
11·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 5(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 16·I2 − 5·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 + 5(I3 − I2) = (−24)
−5·I2 + 17·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2292
I1 = Δ1/Δ = 1870/2292 = 0,8159 A
I2 = Δ2/Δ = −470/2292 = −0,2051 A
I3 = Δ3/Δ = −3374/2292 = −1,472 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,2051 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = 2,644 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 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 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) = 3·14/(3+14) = 2,471 Ω
VA = 15·2,471/(20+2,471) = 1,649 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,649·10/14 = 1,178 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (1,649 − 0)/3 = 0,5497 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​3 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 6,609 = 3,979 Ω
VB = Is·Req = 4·3,979 = 15,92 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,92·2,609/6,609 = 6,283 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (6,283 − 0)/3 = 2,094 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,5497 + 2,094 = 2,644 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = 10,06 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​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 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 ∥ 38 = 5,182 Ω
VA = 9·5,182/(2+5,182) = 6,494 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,494·8/38 = 1,367 V
VR2′ = VB − VA = 1,367 − 6,494 = −5,127 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 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 = 1,5 Ω, поэтому левый путь — R2+1,5 = 31,5 Ω
Req = R4 ∥ 31,5 = 6,38 Ω
VB = Is·Req = 1·6,38 = 6,38 V
VA = VB·1,5/31,5 = 0,3038 V
VR2″ = VB − VA = 6,38 − 0,3038 = 6,076 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·31,5/39,5 = 9,57 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,57·1,5/31,5 = 0,4557 V
VR2‴ = VB − VA = 9,57 − 0,4557 = 9,114 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−5,127) + 6,076 + 9,114 = 10,06 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 20,57 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​ = 15 ΩR3​ = 12 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 12 = 20,57 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,544 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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​2 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 10 = 11,71 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​1,5 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) = 5,143 + 1,5·1,714 = 7,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,714 + 1,5·10 = 22,71 V
Rth​ = 11,71 Ω+−Vth​22,71 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) = 22,71/(11,71 + 3) = 1,544 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,734 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 входе +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 1·10/(2 + 10) = 0,8333 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,8333·(1 + 22/4,7) = 4,734 V

Ответ

Vout = 4,734 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,3361 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 входе +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,5·22/(1 + 22) = 0,4783 V

Наложение двух входов

При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.

Vout = −(10/100)·1,9 + (1 + 10/100)·0,4783 = −0,19 + 0,5261 = 0,3361 V

Ответ

Vout = 0,3361 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,7082 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

τ = L/R = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms

Выразите время

0,2 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,2)
t = 0,44·ln(5) = 0,7082 ms

Ответ

t = 0,7082 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,5078 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 9/(15 + 47) = 0,1452 A
i(∞) = 9/15 = 0,6 A
τ = L/R = 47/15 = 3,133 ms
i(t) = 0,6 + (0,1452 − 0,6)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(5) = 0,6 + (−0,4548)·e−5/3,133 = 0,5078 A

Ответ

i = 0,5078 A

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