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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩIR2​AR4​25 ΩBR6​4 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 25 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​6 Ω+−V1​12 VI1​R2​12 Ω+−V2​15 VR3​15 Ω+−V3​12 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 = 12 VR1 = 6 ΩV2 = 15 VR2 = 12 ΩV3 = 12 VR3 = 15 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​8 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 8,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩVA = 8,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​5 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 12 VV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩIR2​R3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​4 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 Ω
IR2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​6 ΩBIs​?

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

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​4 ΩIR3​AIs​2 AB−+V2​10 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.

V1 = 15 VIs = 2 AV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩARL​2 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​6 ABRL​6 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 2.

R1 = 47 kΩAv = 2
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 1,6 VR = 22 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 1,6 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.

Vin = 1,6 VR = 22 kΩC = 2,2 µFVsat = ±12 Vt = 20 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​12 Vt = 0R = 50 ΩL68 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 = 12 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 VR1​ = 5 ΩR2​ = 20 Ωразмыкается при t = 0L33 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 1 ms.

Vs = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3351 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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 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 = 8 + 6,462 = 14,46 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/14,46 = 0,6223 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,6223·8 = 4,021 V
IR2 = VA/R2 = 4,021/12 = 0,3351 A

Ответ

IR2 = 0,3351 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3935 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​ = 8 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​25 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 = 25 + 4 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 13,43 Ω
R3 + 13,43 = 33,43 Ω
R2 ∥ 33,43 = 8,83 Ω
Req = R1 + 8,83 = 8 + 8,83 = 16,83 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/16,83 = 0,5348 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,5348·8 = 4,722 V
IR2 = VA/R2 = 4,722/12 = 0,3935 A

Ответ

IR2 = 0,3935 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I1 = −0,1316 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 − 12)/6 + (VA − 15)/12 + (VA − 12)/15 = 0

Находим VA

VA = (12/6 + 15/12 + 12/15) / (1/6 + 1/12 + 1/15) = 4,05/0,3167 = 12,79 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I1 = (12 − VA)/R1 = (12 − 12,79)/6 = −0,1316 A

Ответ

I1 = −0,1316 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 3,65 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

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(8,5 − 5)/4 + 8,5/10 = (VB − 8,5)/4
1,725 = (VB − 8,5)/4 → VB = 15,4 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (15,4 − 8,5)/4 + 15,4/8 = 3,65 A

Ответ

Is = 3,65 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,72 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​ = 10 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​5 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 12
15·I1 − 5·I2 = 12

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 + 5(I2 − I1) = (−6)
−5·I1 + 10·I2 = −6

Решите

Δ = (15)(10) − (−5)(−5) = 125
I1 = Δ1/Δ = 90/125 = 0,72 A
I2 = Δ2/Δ = −30/125 = −0,24 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,72 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = 0,6233 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​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​4 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 18
16·I1 − 8·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
5·I2 + 8(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 17·I2 − 4·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 + 4(I3 − I2) = (−9)
−4·I2 + 29·I3 = −9

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5776
I1 = Δ1/Δ = 8298/5776 = 1,437 A
I2 = Δ2/Δ = 3600/5776 = 0,6233 A
I3 = Δ3/Δ = −1296/5776 = −0,2244 A

Ответ

IR2 = I2 = 0,6233 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 1,429 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​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​6 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 = 12+6 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·18/(4+18) = 3,273 Ω
VA = 30·3,273/(10+3,273) = 7,397 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,397·6/18 = 2,466 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (7,397 − 2,466)/12 = 0,411 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 = 2,857 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·6/20,86 = −0,2877·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,411 − 0,2877·Is = 0
Is = 0,411/0,2877 = 1,429 A

Ответ

Is = 1,429 A
8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 7,886 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​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​4 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) = 4 ∥ 18 = 3,273 Ω
VA = 15·3,273/(10+3,273) = 3,699 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,699·12/18 = 2,466 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,699 − 0)/4 = 0,9247 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​4 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 = 2,857 Ω, поэтому левый путь — R2+2,857 = 8,857 Ω
Req = R4 ∥ 8,857 = 5,096 Ω
VB = Is·Req = 2·5,096 = 10,19 V
VA = VB·2,857/8,857 = 3,288 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,288 − 0)/4 = 0,8219 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​4 ΩAОБРЫВB−+V2​10 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·8,857/20,86 = −4,247 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −4,247·2,857/8,857 = −1,37 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,37 − 0)/4 = −0,3425 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,9247 + 0,8219 + (−0,3425) = 1,404 A

Мощность в резисторе

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

PR3 = IR3²·R3 = 1,404²·4 = 7,886 W

Ответ

PR3 = 7,886 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 6,591 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,225 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​ = 12 ΩКЗR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 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) = 9·12/(12+12) = 4,5 V
Rth​ = 18 Ω+−Vth​4,5 VRL​2 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) = 4,5/(18 + 2) = 0,225 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 3,791 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​ = 8 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 + 8 = 9,765 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 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) = 1,176 + 6·1,765 = 11,76 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,76 + 6·8 = 59,76 V
Rth​ = 9,765 Ω+−Vth​59,76 VRL​6 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) = 59,76/(9,765 + 6) = 3,791 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 47 kΩ

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 неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (2 − 1)·47 = 47 kΩ

Ответ

Rf = 47 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,6612 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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 22 kΩ · 2,2 µF = 48,4 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −1,6/48,4 = −0,03306 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.

Vout = −Vin·t/(RC) = −1,6·20/48,4 = −0,6612 V

Ответ

Vout = −0,6612 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,5308 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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 12/50 = 0,24 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,24·(1 − e−1/1,36) = 0,125 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·68·0,125² = 0,5308 mJ

Ответ

W = 0,5308 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 1,38 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 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.

i(0) = 12/5 = 2,4 A
i(∞) = 12/(5 + 20) = 0,48 A
τ = L/R = 33/25 = 1,32 ms
i(t) = 0,48 + (2,4 − 0,48)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(1) = 0,48 + (1,92)·e−1/1,32 = 1,38 A

Ответ

i = 1,38 A

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