Теория электрических цепей 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (14) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад 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: R_eq = R₁ + R₂ + …
Параллельное соединение резисторов: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Два параллельно: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Закон Ома: V = I·R
Мощность: P = V·I = I²R = V²/R

Метод

Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
После каждого шага перерисовывайте схему.
Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа: ΣI_in = ΣI_out
Ток ветви: I = (V_a − V_b)/R
Опорный узел: V_ground = 0

Метод

Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
Выразите ток каждой ветви как (V_a − V_b)/R.
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

Нарисуйте в каждом контуре (ячейке) схемы контурный ток по часовой стрелке.
Примените второй закон Кирхгофа к каждому контуру: сумма падений напряжения равна нулю.
В резисторе, общем для двух контуров, ток равен разности двух контурных токов.
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

Посчитайте независимые источники. Для каждого источника вы решите одну более простую схему.
Оставьте один источник, а остальные отключите: источник напряжения заменяется коротким замыканием (проводом), источник тока — разрывом цепи.
Найдите в упрощённой схеме нужное напряжение или ток, следя за направлением.
Повторите для каждого источника, затем сложите вклады с учётом знаков.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина: V_th = V_{open circuit}
Сопротивление Тевенина: R_th: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона: I_N = V_th/R_th
Ток нагрузки: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Передача максимальной мощности: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Метод

Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
Найдите напряжение холостого хода между a и b: это V_th.
Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это R_th.
Верните нагрузку в эквивалентную схему: V_th последовательно с R_th.
Для эквивалента Нортона преобразуйте: I_N = V_th/R_th, с R_N = R_th параллельно.

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Неинвертирующий усилитель: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Суммирующий усилитель: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Идеальный ОУ: V₊ = V₋, I_in = 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; v_C не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе: короткое замыкание; i_L не может измениться скачком
Установившийся режим: t ≈ 5τ

Метод

Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 30 VR₁ = 12 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 5 Ω

R_eq = Ω

2.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 36 VR₁ = 8 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 10 ΩR₆ = 10 Ω

I_R1 = A

3.Метод узловых потенциаловСредняя

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток I_R1 через R₁ в направлении стрелки.

V₁ = 30 VI_s = 1,5 AR₁ = 4 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 6 Ω

I_R1 = A

4.Метод узловых потенциаловСложная

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у A, поэтому он задаёт V_A − V_B = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение V_A (относительно земли).

V₁ = 15 VI_s = 5 AV_s = 3 VR₁ = 5 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 15 Ω

V_A = V

5.Метод контурных токовСредняя

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение V_R1 на R₁ с указанной полярностью.

V₁ = 24 VV₂ = 6 VR₁ = 6 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 8 Ω

V_R1 = V

6.Метод контурных токовСложная

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение V_R5 на R₅ с указанной полярностью.

V₁ = 5 VV₂ = 5 VR₁ = 30 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 4 Ω

V_R5 = V

7.Метод наложенияСредняя

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения V_s и один источник тока I_s. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при V_s = 2 V и I_s = 8 mA I = 2 mA; при V_s = 8 V и I_s = 5 mA I = 5,3 mA. Найдите ток нагрузки I при V_s = 2 V и I_s = 10 mA.

2 V, 8 mA → 2 mA8 V, 5 mA → 5,3 mAV_s = 2 V, I_s = 10 mA

I = mA

8.Метод наложенияСложная

Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V₁, V₂ и I_s. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 19 mA. Если V₁ удвоить, а два других оставить без изменений, I = 20 mA. Если изменить направление I_s на противоположное, а два других оставить без изменений, I = −3 mA. Найдите ток нагрузки I, если V₂ отключён, а V₁ и I_s имеют номинальные значения.

номинальные значения: I = 19 mA2·V₁: I = 20 mA−I_s: I = −3 mA

I = mA

9.Тевенин и НортонСредняя

Найдите сопротивление Тевенина R_th со стороны зажимов a–b.

V₁ = 24 VR₁ = 12 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 8 Ω

R_th = Ω

10.Тевенин и НортонСложная

Найдите напряжение Тевенина V_th со стороны зажимов a–b.

V₁ = 24 VI_s = 4 AR₁ = 12 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 15 Ω

V_th = V

11.Схемы на операционных усилителяхСредняя

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала V_in,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R₁ = 22 kΩR_f = 100 kΩV_sat = ±12 V

V_in,max = V

12.Схемы на операционных усилителяхСложная

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

V₁ = 0,6 VV₂ = 0,7 VR₁ = 2 kΩR₂ = 22 kΩR_f = 4,7 kΩ

V_out = V

13.Переходные процессы RC и RLСредняя

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение v_L на катушке в момент t = 1 ms.

V_s = 24 VR = 15 ΩL = 10 mHt = 1 ms

v_L = V

14.Переходные процессы RC и RLСложная

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Через какое время v_C достигнет 20,4 V? Найдите t.

V_s = 6 VR = 6,8 kΩC = 220 µFv_C(0) = 30 V

t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 21,19 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.

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 = 12 + 5 = 17 Ω

R₂ ∥ 17 = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω

R_eq = R₁ + 9,189 = 12 + 9,189 = 21,19 Ω

Ответ

R_eq = 21,19 Ω

2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 1,799 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 10 + 10 = 20 Ω

R₄ ∥ 20 = 11,11 Ω

R₃ + 11,11 = 23,11 Ω

R₂ ∥ 23,11 = 12,01 Ω

R_eq = R₁ + 12,01 = 8 + 12,01 = 20,01 Ω

Ток источника

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

I_R1 = V₁/R_eq = 36/20,01 = 1,799 A

Ответ

I_R1 = 1,799 A

3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I_R1 = 3,833 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.

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V₁ = 30 V). Неизвестные: V_A, V_B.

ЗТК в узле A

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

V_A/R₂ + (V_A − V₁)/R₁ + (V_A − V_B)/R₃ = 0

V_A/10 + (V_A − 30)/4 + (V_A − V_B)/4 = 0

0,6·V_A − 0,25·V_B = 7,5

ЗТК в узле B

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

V_B/R₄ + (V_B − V_A)/R₃ = I_s

V_B/6 + (V_B − V_A)/4 = (−1,5)

−0,25·V_A + 0,4167·V_B = −1,5

Решите

Δ = (0,6)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1875

V_A = Δ₁/Δ = 2,75/0,1875 = 14,67 V

V_B = Δ₂/Δ = 0,975/0,1875 = 5,2 V

Ответ

I_R1 = (V₁ − V_A)/R₁ = (30 − 14,67)/4 = 3,833 A

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: V_A = 26,74 V

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.

V_B = V_A − 3

(V_A − V₁)/R₁ + V_A/R₂ + V_B/R₃ = I_s

Решите

(V_A − 15)/5 + V_A/25 + (V_A − 3)/15 = 5

V_A·(1/5 + 1/25 + 1/15) = 5 + 15/5 + 3/15 = 8,2

V_A = 8,2/0,3067 = 26,74 V

V_B = 23,74 V

Ответ

V_A = 26,74 V

5.Метод контурных токов

Ответ: V_R1 = 11,41 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.

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 + 8(I₁ − I₂) = 24

14·I₁ − 8·I₂ = 24

ЗНК для контура 2

R₂·I₂ + R₃(I₂ − I₁) = −V₂

20·I₂ + 8(I₂ − I₁) = (−6)

−8·I₁ + 28·I₂ = −6

Решите

Δ = (14)(28) − (−8)(−8) = 328

I₁ = Δ₁/Δ = 624/328 = 1,902 A

I₂ = Δ₂/Δ = 108/328 = 0,3293 A

Ответ

I_R1 = I₁ = 1,902 A

V_R1 = I_R1·R₁ = 1,902·6 = 11,41 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: V_R5 = 2,727 V

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

R₁·I₁ + R₄(I₁ − I₂) = V₁

30·I₁ + 10(I₁ − I₂) = 5

40·I₁ − 10·I₂ = 5

ЗНК для контура 2

R₂·I₂ + R₄(I₂ − I₁) + R₅(I₂ − I₃) = 0

12·I₂ + 10(I₂ − I₁) + 4(I₂ − I₃) = 0

−10·I₁ + 26·I₂ − 4·I₃ = 0

ЗНК для контура 3

R₃·I₃ + R₅(I₃ − I₂) = −V₂

3·I₃ + 4(I₃ − I₂) = (−5)

−4·I₂ + 7·I₃ = −5

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5940

I₁ = Δ₁/Δ = 630/5940 = 0,1061 A

I₂ = Δ₂/Δ = −450/5940 = −0,07576 A

I₃ = Δ₃/Δ = −4500/5940 = −0,7576 A

Ответ

I_R5 = I₂ − I₃ = 0,6818 A

V_R5 = I_R5·R₅ = 0,6818·4 = 2,727 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 2,2 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·V_s + k₂·I_s

2·k₁ + 8·k₂ = 2

8·k₁ + 5·k₂ = 5,3

Находим константы

Δ = (2)(5) − (8)(8) = −54

k₁ = Δ₁/Δ = −32,4/−54 = 0,6

k₂ = Δ₂/Δ = −5,4/−54 = 0,1

k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,1

Предсказываем новый ток

I = 0,6·2 + 0,1·10 = 2,2 mA

Ответ

I = 2,2 mA

8.Метод наложения

Ответ: I = 12 mA

Записываем измерения через вклады

Каждый вклад пропорционален своему источнику.

I₁ + I₂ + I₃ = 19

2·I₁ + I₂ + I₃ = 20

I₁ + I₂ − I₃ = −3

Находим вклады

I₁ = 20 − 19 = 1 mA

I₃ = (19 − (−3))/2 = 11 mA

I₂ = 19 − 1 − 11 = 7 mA

Отключаем V₂

I = I₁ + I₃ = 1 + 11 = 12 mA

Ответ

I = 12 mA

9.Тевенин и Нортон

Ответ: R_th = 14,67 Ω

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения V_th, последовательный с сопротивлением R_th. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока I_N = V_th/R_th, параллельный R_th.

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R₁ ∥ R₂ = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 6,667 + 8 = 14,67 Ω

10.Тевенин и Нортон

Ответ: V_th = 96 V

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

R₁ ∥ R₂ = 12·12/(12+12) = 6 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 6 + 15 = 21 Ω

Найдите V_th — 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 12 + 4·6 = 36 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 36 + 4·15 = 96 V

11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V_in,max = 2,64 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

|A_v| = R_f/R₁ = 100/22 = 4,545

Наибольший вход до ограничения

V_in,max = V_sat/|A_v| = 12/4,545 = 2,64 V

Ответ

V_in,max = 2,64 V

12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V_out = −1,56 V

Входные токи

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

I₁ = V₁/R₁ = 0,6/2 = 0,3 mA

I₂ = V₂/R₂ = 0,7/22 = 0,03182 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0,3318 mA

Выходное напряжение

V_out = −R_f·I_f = −4,7·0,3318 = −1,56 V

Ответ

V_out = −1,56 V

13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_L = 5,355 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.

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 / 15 Ω = 0,6667 ms

i(∞) = V_s/R = 24/15 = 1,6 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

v_L(t) = V_s·e^−t/τ = 24·e^−1/0,6667 = 5,355 V

Ответ

v_L = 5,355 V

14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 764,2 ms

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

v_C(0) = 30 V, v_C(∞) = V_s = 6 V

τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms

v_C(t) = 6 + (30 − 6)·e^−t/τ

Выразите время

20,4 = 6 + (24)·e^−t/τ → e^−t/τ = (20,4 − 6)/(30 − 6) = 0,6

t = τ·ln((30 − 6)/(20,4 − 6)) = 1496·ln(1,667) = 764,2 ms

Ответ

t = 764,2 ms

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

Теория электрических цепей 1: шпаргалка-пакет

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Метод

Метод узловых потенциалов

Метод

Метод контурных токов

Метод

Метод наложения

Метод

Тевенин и Нортон

Метод

Схемы на операционных усилителях

Переходные процессы RC и RL

Метод

2Тренировочные задачи

3Растворы

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Ответ

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Ток источника

Ответ

Определите узлы

ЗТК в узле A

ЗТК в узле B

Решите

Ответ

Образуем супер-узел

Решите

Ответ

Задайте контурные токи

ЗНК для контура 1

ЗНК для контура 2

Решите

Ответ

Задайте контурные токи

ЗНК для контура 1

ЗНК для контура 2

ЗНК для контура 3

Решите

Ответ

Записываем отклик как сумму вкладов

Находим константы

Предсказываем новый ток

Ответ

Записываем измерения через вклады

Находим вклады

Отключаем V₂

Ответ

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Коэффициент усиления

Наибольший вход до ограничения

Ответ

Входные токи

Выходное напряжение

Ответ

Постоянная времени и конечный ток

Напряжение на катушке

Ответ

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Выразите время

Ответ

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

Найдите V_th — напряжение холостого хода