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 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBR6​6 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​1 A

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

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 20 ΩIR4​+−V1​18 VR3​8 ΩAR5​6 ΩBIs​0,5 A+−V2​18 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 18 VIs = 0,5 AV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R2​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR4​8 ΩAR5​12 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 ΩR5 = 12 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
линейная цепьVs​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 15 V и Is = 6 mA I = 19,5 mA; при Vs = 15 V и Is = 4 mA I = 18 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 12 V и Is = 5 mA.

15 V, 6 mA → 19,5 mA15 V, 4 mA → 18 mAVs = 12 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​18 VR3​10 ΩAIs​4 AB+−V2​36 V

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

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩARL​6 ΩIL​B

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

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAIs​3 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 31.

R1 = 1 kΩAv = 31
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 1,4 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,4 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 47 kΩ

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

V1 = 1,4 VV2 = 0,4 VR1 = 100 kΩR2 = 100 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 47 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 99% конечного значения? Найдите t.

Vs = 10 VR = 47 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vразмыкается при t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4,7 kΩC100 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.

Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µFt = 400 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,211 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​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​4 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Req = R1 + 2,857 = 8 + 2,857 = 10,86 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/10,86 = 2,211 A

Ответ

IR1 = 2,211 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 35,65 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​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBR6​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 4,667 Ω
R3 + 4,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 5,647 Ω
Req = R1 + 5,647 = 30 + 5,647 = 35,65 Ω

Ответ

Req = 35,65 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 3,184 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 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​2 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/20 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/3 = 0
0,55·VA − 0,3333·VB = 1,667

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/3 = 1
−0,3333·VA + 0,8333·VB = 1

Решите

Δ = (0,55)(0,8333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3472
VA = Δ1/Δ = 1,722/0,3472 = 4,96 V
VB = Δ2/Δ = 1,106/0,3472 = 3,184 V

Ответ

VB = 3,184 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −0,739 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​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩAR5​6 ΩBIs​0,5 A+−V2​18 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 18 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/8 + (VA − 18)/15 + (VA − VB)/5 = 0
0,3917·VA − 0,2·VB = 1,2

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/6 + (VB − VA)/5 + (VB − 18)/20 = (−0,5)
−0,2·VA + 0,4167·VB = 0,4

Решите

Δ = (0,3917)(0,4167) − (−0,2)(−0,2) = 0,1232
VA = Δ1/Δ = 0,58/0,1232 = 4,708 V
VB = Δ2/Δ = 0,3967/0,1232 = 3,22 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (3,22 − 18)/20 = −0,739 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 4,105 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​ = 2 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​5 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
2·I1 + 5(I1 − I2) = 24
7·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 5(I2 − I1) = (−12)
−5·I1 + 9·I2 = −12

Решите

Δ = (7)(9) − (−5)(−5) = 38
I1 = Δ1/Δ = 156/38 = 4,105 A
I2 = Δ2/Δ = 36/38 = 0,9474 A

Ответ

IR1 = I1 = 4,105 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −1,482 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​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR4​8 ΩAR5​12 ΩB+−V2​18 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 + 8(I1 − I2) = 36
28·I1 − 8·I2 = 36

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
15·I2 + 8(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 35·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
2·I3 + 12(I3 − I2) = (−18)
−12·I2 + 14·I3 = −18

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8792
I1 = Δ1/Δ = 10728/8792 = 1,22 A
I2 = Δ2/Δ = −2016/8792 = −0,2293 A
I3 = Δ3/Δ = −13032/8792 = −1,482 A

Ответ

I3 = −1,482 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 15,75 mA

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.

Записываем отклик как сумму вкладов

Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.

I = k₁·Vs + k₂·Is
15·k₁ + 6·k₂ = 19,5
15·k₁ + 4·k₂ = 18

Находим константы

Δ = (15)(4) − (6)(15) = −30
k₁ = Δ1/Δ = −30/−30 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −22,5/−30 = 0,75
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,75

Предсказываем новый ток

I = 1·12 + 0,75·5 = 15,75 mA

Ответ

I = 15,75 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR2 = 3,555 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​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​18 VR3​10 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) = 10 ∥ 31 = 7,561 Ω
VA = 18·7,561/(8+7,561) = 8,746 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,746·25/31 = 7,053 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (7,053 − 8,746)/6 = −0,2821 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​10 ΩAIs​4 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 = 4,444 Ω, поэтому левый путь — R2+4,444 = 10,44 Ω
Req = R4 ∥ 10,44 = 7,367 Ω
VB = Is·Req = 4·7,367 = 29,47 V
VA = VB·4,444/10,44 = 12,54 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (29,47 − 12,54)/6 = 2,821 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​10 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·10,44/35,44 = 10,61 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,61·4,444/10,44 = 4,514 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (10,61 − 4,514)/6 = 1,016 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0,2821) + 2,821 + 1,016 = 3,555 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,8182 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​ = 5 ΩR3​ = 6 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 6 = 9,529 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 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) = 18·12/(5+12) = 12,71 V
Rth​ = 9,529 Ω+−Vth​12,71 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) = 12,71/(9,529 + 6) = 0,8182 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = −4,2 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​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​12 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 3 = 5,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAIs​3 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) = 12 + (−3)·2,4 = 4,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,8 + (−3)·3 = −4,2 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 30 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 = (31 − 1)·1 = 30 kΩ

Ответ

Rf = 30 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,6727 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) = 0,4·47/(4,7 + 47) = 0,3636 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 = −(100/100)·1,4 + (1 + 100/100)·0,3636 = −1,4 + 0,7273 = −0,6727 V

Ответ

Vout = −0,6727 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,9798 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 / 47 Ω = 0,2128 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0,2128 A

Выразите время

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −0,2128·ln(0,01) = 0,9798 ms

Ответ

t = 0,9798 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 2,048 V

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 напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 15·4,7/(10 + 4,7) = 4,796 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 4,7·100 = 470 ms

Разряд

vC(t) = 4,796·e−400/470 = 2,048 V

Ответ

vC = 2,048 V

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