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​ = 6 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 5 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 5 VIx​Is​5 AAR1​12 ΩR2​4 ΩB

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 Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.

Is = 5 AVs = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 4 Ω
Ix = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​2 A−+V2​6 V

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

V1 = 12 VIs = 2 AV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 Ω+−VR2​+−V1​9 VR3​10 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR4​6 ΩAR5​6 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 9 VV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​?

Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​18 V

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

V1 = 18 VIs = 2,5 AV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​1,5 ABRL​4 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 2,5 VRa​ = 47 kΩRb​ = 22 kΩ

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

Vin = 2,5 VRa = 47 kΩRb = 22 kΩR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 4,7 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 100 kΩRf2​ = 47 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. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 47 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 50 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 90% конечного значения? Найдите t.

Vs = 20 VR = 50 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 5,5 V? Найдите t.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 2 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,81 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​15 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 = 8 + 3 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 15·11/(15+11) = 6,346 Ω
Req = R1 + 6,346 = 6 + 6,346 = 12,35 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/12,35 = 0,81 A

Ответ

IR1 = 0,81 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,9281 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​ = 25 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​15 ΩBR6​5 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 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 6 Ω
R3 + 6 = 31 Ω
R2 ∥ 31 = 8,651 Ω
Req = R1 + 8,651 = 3 + 8,651 = 11,65 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/11,65 = 1,287 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,287·3 = 11,14 V
IR2 = VA/R2 = 11,14/12 = 0,9281 A

Ответ

IR2 = 0,9281 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: Ix = 4,063 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 + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/12 + (VA + 5)/4 = 5
VA = (5 − 5/4)/(1/12 + 1/4) = 11,25 V
VB = 11,25 + 5 = 16,25 V

Ток через источник напряжения

Всё, что проходит через источник от A к B, уходит из узла B через R₂.

Ix = VB/R2 = 16,25/4 = 4,063 A

Ответ

Ix = 4,063 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 7,551 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​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​2 A−+V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/25 + (VA − 12)/6 + (VA − VB)/15 = 0
0,2733·VA − 0,06667·VB = 2

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/8 + (VB − VA)/15 + (VB − (−6))/3 = 2
−0,06667·VA + 0,525·VB = 0

Решите

Δ = (0,2733)(0,525) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1391
VA = Δ1/Δ = 1,05/0,1391 = 7,551 V
VB = Δ2/Δ = 0,1333/0,1391 = 0,9588 V

Ответ

VA = 7,551 V
5.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = −2,833 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​ = 6 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩA+−V2​12 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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 9
16·I1 − 10·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
3·I2 + 10(I2 − I1) = (−12)
−10·I1 + 13·I2 = −12

Решите

Δ = (16)(13) − (−10)(−10) = 108
I1 = Δ1/Δ = −3/108 = −0,02778 A
I2 = Δ2/Δ = −102/108 = −0,9444 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,9444 A
VR2 = IR2·R2 = −0,9444·3 = −2,833 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −0,268 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​ = 3 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR4​6 ΩAR5​6 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 9
9·I1 − 6·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 6(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 42·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
25·I3 + 6(I3 − I2) = (−9)
−6·I2 + 31·I3 = −9

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10278
I1 = Δ1/Δ = 11070/10278 = 1,077 A
I2 = Δ2/Δ = 1188/10278 = 0,1156 A
I3 = Δ3/Δ = −2754/10278 = −0,268 A

Ответ

I3 = −0,268 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 0,8824 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​8 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+8 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·16/(12+16) = 6,857 Ω
VA = 10·6,857/(5+6,857) = 5,783 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,783·8/16 = 2,892 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (5,783 − 2,892)/8 = 0,3614 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.

R1 ∥ R2 = 3,529 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·8/19,53 = −0,4096·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,3614 − 0,4096·Is = 0
Is = 0,3614/0,4096 = 0,8824 A

Ответ

Is = 0,8824 A
8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 1,987 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​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​18 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 ∥ 7 = 3,231 Ω
VA = 18·3,231/(15+3,231) = 3,19 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,19·2/7 = 0,9114 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,19 − 0)/6 = 0,5316 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​6 ΩAIs​2,5 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 = 4,286 Ω, поэтому левый путь — R2+4,286 = 9,286 Ω
Req = R4 ∥ 9,286 = 1,646 Ω
VB = Is·Req = 2,5·1,646 = 4,114 V
VA = VB·4,286/9,286 = 1,899 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,899 − 0)/6 = 0,3165 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​6 ΩAОБРЫВB+−V2​18 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·9,286/11,29 = 14,81 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 14,81·4,286/9,286 = 6,835 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (6,835 − 0)/6 = 1,139 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,5316 + 0,3165 + 1,139 = 1,987 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 5,556 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​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​5 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 3 = 5,222 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 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) = 10·5/(4+5) = 5,556 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,324 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​ = 15 ΩR3​ = 25 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 25 = 26,76 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 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) = 0,5882 + 1,5·1,765 = 3,235 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,235 + 1,5·25 = 40,74 V
Rth​ = 26,76 Ω+−Vth​40,74 VRL​4 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) = 40,74/(26,76 + 4) = 1,324 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,42 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) = 2,5·22/(47 + 22) = 0,7971 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,7971·(1 + 100/22) = 4,42 V

Ответ

Vout = 4,42 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Av = −1,47

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 = −4,7/4,7 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/100 = 1,47

Общий коэффициент усиления

Av = A1·A2 = −1·1,47 = −1,47

Ответ

Av = −1,47
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,4605 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 и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 20/50 = 0,4 A

Выразите время

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −0,2·ln(0,1) = 0,4605 ms

Ответ

t = 0,4605 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 71,67 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 9 + (2 − 9)·e−t/τ

Выразите время

5,5 = 9 + (−7)·e−t/τ → e−t/τ = (5,5 − 9)/(2 − 9) = 0,5
t = τ·ln((2 − 9)/(5,5 − 9)) = 103,4·ln(2) = 71,67 ms

Ответ

t = 71,67 ms

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