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 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​2 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​6 ΩBR6​4 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 4 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​1 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A−+V2​30 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 12 VIs = 4 AV2 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 4 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩIR3​A+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​5 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 ΩR5 = 5 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​20 Ω+−VR4​BIs​2 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 30 Ω−+VR2​R4​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​5 ΩAIs​2 AB−+V2​36 V

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

V1 = 18 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 1 kΩVin​

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

R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 1 kΩRf1​ = 4,7 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 22 kΩRf2​ = 10 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 = −0,4 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 1 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 10 kΩVin = −0,4 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 50 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.

Vs = 5 VR = 50 ΩL = 47 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 8,1 V, ровно через 250 ms после старта. При C = 10 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 9 VVth = 8,1 VT = 250 msC = 10 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 16,43 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​6 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 6·17/(6+17) = 4,435 Ω
Req = R1 + 4,435 = 12 + 4,435 = 16,43 Ω

Ответ

Req = 16,43 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 31,42 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​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​6 ΩBR6​4 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 + 4 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 3,429 Ω
R3 + 3,429 = 18,43 Ω
R2 ∥ 18,43 = 11,42 Ω
Req = R1 + 11,42 = 20 + 11,42 = 31,42 Ω

Ответ

Req = 31,42 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,8358 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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​1 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)/8 + (VA − VB)/4 = 0
0,7083·VA − 0,25·VB = 1,25

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 = 1
−0,25·VA + 0,4167·VB = 1

Решите

Δ = (0,7083)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,2326
VA = Δ1/Δ = 0,7708/0,2326 = 3,313 V
VB = Δ2/Δ = 1,021/0,2326 = 4,388 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3,313)/8 = 0,8358 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 1,612 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​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A−+V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 V, V2 = −30 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/15 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,5667·VA − 0,25·VB = 3

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/4 + (VB − VA)/4 + (VB − (−30))/6 = 4
−0,25·VA + 0,6667·VB = −1

Решите

Δ = (0,5667)(0,6667) − (−0,25)(−0,25) = 0,3153
VA = Δ1/Δ = 1,75/0,3153 = 5,551 V
VB = Δ2/Δ = 0,1833/0,3153 = 0,5815 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 5,551)/4 = 1,612 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 2,478 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​ = 5 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​2 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 + 2(I1 − I2) = 9
7·I1 − 2·I2 = 9

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
15·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 17·I2 = −30

Решите

Δ = (7)(17) − (−2)(−2) = 115
I1 = Δ1/Δ = 93/115 = 0,8087 A
I2 = Δ2/Δ = −192/115 = −1,67 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 2,478 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,7546 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​ = 20 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​5 ΩB+−V2​10 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
20·I1 + 5(I1 − I2) = 18
25·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 5(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 13·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
25·I3 + 5(I3 − I2) = (−10)
−5·I2 + 30·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8375
I1 = Δ1/Δ = 6320/8375 = 0,7546 A
I2 = Δ2/Δ = 1450/8375 = 0,1731 A
I3 = Δ3/Δ = −2550/8375 = −0,3045 A

Ответ

I1 = 0,7546 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = 13,79 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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​20 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 = 5+20 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
VA = 10·4,167/(20+4,167) = 1,724 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,724·20/25 = 1,379 V
VR4′ = VB − 0 = 1,379 − 0 = 1,379 V
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​2 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9 = 6,207 Ω
VB = Is·Req = 2·6,207 = 12,41 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,41·4/9 = 5,517 V
VR4″ = VB − 0 = 12,41 − 0 = 12,41 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 1,379 + 12,41 = 13,79 V

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −32,26 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​ = 30 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​5 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) = 5 ∥ 32 = 4,324 Ω
VA = 18·4,324/(10+4,324) = 5,434 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,434·2/32 = 0,3396 V
VR2′ = VB − VA = 0,3396 − 5,434 = −5,094 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​5 ΩAIs​2 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 = 33,33 Ω
Req = R4 ∥ 33,33 = 1,887 Ω
VB = Is·Req = 2·1,887 = 3,774 V
VA = VB·3,333/33,33 = 0,3774 V
VR2″ = VB − VA = 3,774 − 0,3774 = 3,396 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB−+V2​36 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·33,33/35,33 = −33,96 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −33,96·3,333/33,33 = −3,396 V
VR2‴ = VB − VA = −33,96 − −3,396 = −30,57 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−5,094) + 3,396 + (−30,57) = −32,26 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 4 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​ = 10 ΩКЗR2​3 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 10 = 12,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 24·3/(15+3) = 4 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 6,511 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​ = 6 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 10 = 13,43 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAIs​6 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) = 6,857 + 6·3,429 = 27,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,43 + 6·10 = 87,43 V
IN​6,511 ARth​13,43 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 = 87,43/13,43 = 6,511 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 1,273 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 + 10/1 = 11

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/11 = 1,273 V

Ответ

Vin,max = 1,273 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 2,735 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 = −4,7/1 = −4,7
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/22 = 1,455

Каскад за каскадом

V1 = −4,7·(−0,4) = 1,88 V
Vout = 1,455·1,88 = 2,735 V

Ответ

Vout = 2,735 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,1008 mJ

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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0,1 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,1·(1 − e−1/0,94) = 0,06549 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·47·0,06549² = 0,1008 mJ

Ответ

W = 0,1008 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 10,86 kΩ

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.

Требуемая постоянная времени

8,1 = 9·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(9/(9 − 8,1))
τ = 250/2,303 = 108,6 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 108,6/10 = 10,86 kΩ

Ответ

R = 10,86 kΩ

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