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​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​4 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​20 Ω+−V1​15 VI1​R2​6 Ω+−V2​6 VR3​15 Ω+−V3​24 VA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩV2 = 6 VR2 = 6 ΩV3 = 24 VR3 = 15 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 Ω+−Vs​ = 9 V+−V1​30 VR2​3 ΩAR3​25 ΩBIs​3 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 = 30 VIs = 3 AVs = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​8 Ω+−VR4​AR5​12 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 12 Ω
VR4 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​15 ΩIR4​BIs​2,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR4, потребляемую R4.

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
PR4 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​8 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​?

Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 5 VIs = 2,5 AR1 = 25 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAIs​1 ABRL​8 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 1,2 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,9 VR3​ = 1 kΩR4​ = 22 kΩ

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

V1 = 1,2 VV2 = 0,9 VR1 = R3 = 1 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 1,6 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,2 VR2​ = 47 kΩ

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 1,6 VV2 = 1,2 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 68 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 95% конечного значения? Найдите t.

Vs = 24 VR = 68 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 kΩC68 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 20,4 V? Найдите t.

Vs = 24 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,175 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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​10 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 = 4 + 10 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 12·14/(12+14) = 6,462 Ω
Req = R1 + 6,462 = 12 + 6,462 = 18,46 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/18,46 = 0,325 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,325·12 = 2,1 V
IR2 = VA/R2 = 2,1/12 = 0,175 A

Ответ

IR2 = 0,175 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 24,24 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​ = 25 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAR4​15 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 = 30 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 10,41 Ω
R3 + 10,41 = 35,41 Ω
R2 ∥ 35,41 = 16,24 Ω
Req = R1 + 16,24 = 8 + 16,24 = 24,24 Ω

Ответ

Req = 24,24 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I1 = 0,1588 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)/20 + (VA − 6)/6 + (VA − 24)/15 = 0

Находим VA

VA = (15/20 + 6/6 + 24/15) / (1/20 + 1/6 + 1/15) = 3,35/0,2833 = 11,82 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I1 = (15 − VA)/R1 = (15 − 11,82)/20 = 0,1588 A

Ответ

I1 = 0,1588 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 1,721 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 − 30)/30 + VA/3 + (VA − 9)/25 = 3
VA·(1/30 + 1/3 + 1/25) = 3 + 30/30 + 9/25 = 4,36
VA = 4,36/0,4067 = 10,72 V
VB = 1,721 V

Ответ

VB = 1,721 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = −1,65 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​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​24 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 + 20(I1 − I2) = 6
24·I1 − 20·I2 = 6

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 + 20(I2 − I1) = (−24)
−20·I1 + 25·I2 = −24

Решите

Δ = (24)(25) − (−20)(−20) = 200
I1 = Δ1/Δ = −330/200 = −1,65 A
I2 = Δ2/Δ = −456/200 = −2,28 A

Ответ

I1 = −1,65 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR4 = 8,769 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​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​8 ΩAR5​12 ΩB+−V2​12 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
12·I1 + 8(I1 − I2) = 24
20·I1 − 8·I2 = 24

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
10·I2 + 8(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 30·I2 − 12·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 + 12(I3 − I2) = (−12)
−12·I2 + 24·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9984
I1 = Δ1/Δ = 12672/9984 = 1,269 A
I2 = Δ2/Δ = 1728/9984 = 0,1731 A
I3 = Δ3/Δ = −4128/9984 = −0,4135 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 1,096 A
VR4 = IR4·R4 = 1,096·8 = 8,769 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR4 = 18,12 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​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​15 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+15 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·23/(2+23) = 1,84 Ω
VA = 9·1,84/(3+1,84) = 3,421 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,421·15/23 = 2,231 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,231 − 0)/15 = 0,1488 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​2 ΩAR4​15 ΩBIs​2,5 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 9,2 = 5,702 Ω
VB = Is·Req = 2,5·5,702 = 14,26 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14,26·1,2/9,2 = 1,86 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (14,26 − 0)/15 = 0,9504 A

Складываем вклады токов

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,1488 + 0,9504 = 1,099 A

Мощность в резисторе

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

PR4 = IR4²·R4 = 1,099²·15 = 18,12 W

Ответ

PR4 = 18,12 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 13,88 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 44 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​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​8 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) = 8 ∥ 30 = 6,316 Ω
VA = 5·6,316/(25+6,316) = 1,008 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,008·20/30 = 0,6723 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​8 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R3 = 6,061 Ω, поэтому левый путь — R2+6,061 = 16,06 Ω
Req = R4 ∥ 16,06 = 8,908 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·8,908 = −22,27 V
VA = VB·6,061/16,06 = −8,403 V

Случай 3 · действует только V2, на один вольт

V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.

R1 ∥ R3 = 6,061 Ω
VA‴ = V2·6,061/(20 + 10 + 6,061) = 0,1681·V2

Приравниваем VA к нулю

При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,008 + (−8,403) + 0,1681·V2 = 0
V2 = 7,395/0,1681 = 44 V

Ответ

V2 = 44 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,5455 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​ = 10 ΩКЗR2​2 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 10 = 11 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​2 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) = 12·2/(2+2) = 6 V
IN​0,5455 ARth​11 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 = 6/11 = 0,5455 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = −0,75 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​ = 30 ΩКЗR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 30 = 32 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​3 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) = 2 + (−1)·2 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−1)·30 = −30 V
Rth​ = 32 Ω−+Vth​30 VRL​8 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) = −30/(32 + 8) = −0,75 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −6,6 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) = 0,9·22/(1 + 22) = 0,8609 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(1,2 − 0,8609)/1 = (0,8609 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/1)·(0,9 − 1,2) = −6,6 V

Ответ

Vout = −6,6 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −3,251 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.

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I1 = V1/R1 = 1,6/1 = 1,6 mA
I2 = V2/R2 = 1,2/47 = 0,02553 mA
If = I1 + I2 = 1,626 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −2·1,626 = −3,251 V

Ответ

Vout = −3,251 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 6,608 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 = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 24/68 = 0,3529 A

Выразите время

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −2,206·ln(0,05) = 6,608 ms

Ответ

t = 6,608 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 818,7 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 = 24 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 24 + (12 − 24)·e−t/τ

Выразите время

20,4 = 24 + (−12)·e−t/τ → e−t/τ = (20,4 − 24)/(12 − 24) = 0,3
t = τ·ln((12 − 24)/(20,4 − 24)) = 680·ln(3,333) = 818,7 ms

Ответ

t = 818,7 ms

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