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​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​20 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 2 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​12 Ω−+V1​18 VR2​4 Ω+−V2​10 VR3​15 Ω+−V3​30 VI3​A

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩV2 = 10 VR2 = 4 ΩV3 = 30 VR3 = 15 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩAR5​25 ΩBIs​1 A+−V2​18 V

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

V1 = 18 VIs = 1 AV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 Ω+−VR1​R2​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR1 на R1 с указанной полярностью.

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
VR1 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR4​15 Ω+−VR4​AR5​3 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 ΩR5 = 3 Ω
VR4 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​2 Ω+−VR4​BIs​2,5 A

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

V1 = 18 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​24 VR3​10 ΩIR3​AIs​5 AB+−V2​?

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAIs​2 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −1,8 V

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

Vin = −1,8 VR1 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 0,4 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0,7 VR3​ = 47 kΩR4​ = 1 kΩ

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

V1 = 0,4 VV2 = 0,7 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩR3 = 47 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 2,2 kΩC33 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 75 ms.

Vs = 24 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µFt = 75 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 6,8 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 30 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 1000 ms.

Vs = 12 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 30 Vt = 1000 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 6,69 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​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​20 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 = 6 + 20 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 3·26/(3+26) = 2,69 Ω
Req = R1 + 2,69 = 4 + 2,69 = 6,69 Ω

Ответ

Req = 6,69 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,1693 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​ = 30 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBR6​2 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 = 10 + 2 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 5,455 Ω
R3 + 5,455 = 7,455 Ω
R2 ∥ 7,455 = 5,43 Ω
Req = R1 + 5,43 = 30 + 5,43 = 35,43 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/35,43 = 0,1693 A

Ответ

IR1 = 0,1693 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I3 = 1,5 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 − (−18))/12 + (VA − 10)/4 + (VA − 30)/15 = 0

Находим VA

VA = ((−18)/12 + 10/4 + 30/15) / (1/12 + 1/4 + 1/15) = 3/0,4 = 7,5 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I3 = (30 − VA)/R3 = (30 − 7,5)/15 = 1,5 A

Ответ

I3 = 1,5 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 17,4 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​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩAR5​25 ΩBIs​1 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/3 + (VA − 18)/12 + (VA − VB)/25 = 0
0,4567·VA − 0,04·VB = 1,5

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/25 + (VB − VA)/25 + (VB − 18)/3 = 1
−0,04·VA + 0,4133·VB = 7

Решите

Δ = (0,4567)(0,4133) − (−0,04)(−0,04) = 0,1872
VA = Δ1/Δ = 0,9/0,1872 = 4,809 V
VB = Δ2/Δ = 3,257/0,1872 = 17,4 V

Ответ

VB = 17,4 V
5.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 8,036 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​ = 20 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩA+−V2​15 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
20·I1 + 3(I1 − I2) = 12
23·I1 − 3·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
12·I2 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 15·I2 = −15

Решите

Δ = (23)(15) − (−3)(−3) = 336
I1 = Δ1/Δ = 135/336 = 0,4018 A
I2 = Δ2/Δ = −309/336 = −0,9196 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,4018 A
VR1 = IR1·R1 = 0,4018·20 = 8,036 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR4 = 6,715 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​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR4​15 ΩAR5​3 ΩB+−V2​5 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
10·I1 + 15(I1 − I2) = 18
25·I1 − 15·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 + 15(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 23·I2 − 3·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
4·I3 + 3(I3 − I2) = (−5)
−3·I2 + 7·I3 = −5

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2225
I1 = Δ1/Δ = 2511/2225 = 1,129 A
I2 = Δ2/Δ = 1515/2225 = 0,6809 A
I3 = Δ3/Δ = −940/2225 = −0,4225 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 0,4476 A
VR4 = IR4·R4 = 0,4476·15 = 6,715 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = −0,3333 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​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​2 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 = 2+2 = 4 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·4/(4+4) = 2 Ω
VA = 18·2/(4+2) = 6 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6·2/4 = 3 V
VR4′ = VB − 0 = 3 − 0 = 3 V
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​4 ΩAR4​2 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 4 = 1,333 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·1,333 = −3,333 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −3,333·2/4 = −1,667 V
VR4″ = VB − 0 = −3,333 − 0 = −3,333 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 3 + (−3,333) = −0,3333 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 32 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​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​24 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 = 24·7,561/(8+7,561) = 11,66 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,66·25/31 = 9,404 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​10 ΩAIs​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 = 4,444 Ω, поэтому левый путь — R2+4,444 = 10,44 Ω
Req = R4 ∥ 10,44 = 7,367 Ω
VB = −Is·Req = −5·7,367 = −36,83 V
VA = VB·4,444/10,44 = −15,67 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 = 4,444 Ω
VA‴ = V2·4,444/(25 + 6 + 4,444) = 0,1254·V2

Приравниваем VA к нулю

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 11,66 + (−15,67) + 0,1254·V2 = 0
V2 = 4,013/0,1254 = 32 V

Ответ

V2 = 32 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 7,143 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​ = 2 ΩR3​ = 15 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 15 = 16,43 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 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/(2+5) = 7,143 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 21,43 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​ = 5 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 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 8 = 9,429 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAIs​2 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) = 2,571 + 2·1,429 = 5,429 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,429 + 2·8 = 21,43 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −5,63 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.

Инвертирующий вход повторяет вход

V₋ = V₊ = −1,8 V
I = V₋/R1 = −1,8/4,7 = −0,383 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,8 + (−0,383)·10 = −5,63 V

Ответ

Vout = −5,63 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,8088 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) = 0,7·1/(47 + 1) = 0,01458 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 = −(47/22)·0,4 + (1 + 47/22)·0,01458 = −0,8545 + 0,04574 = −0,8088 V

Ответ

Vout = −0,8088 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 7,884 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·2,2/(3,3 + 2,2) = 1,32 kΩ
vC(∞) = 24·2,2/(3,3 + 2,2) = 9,6 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,32·33 = 43,56 ms

Кривая заряда

vC(t) = 9,6·(1 − e−75/43,56) = 7,884 V

Ответ

vC = 7,884 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 21,23 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 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 12 + (30 − 12)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(1000) = 12 + (18)·e−1000/1496 = 21,23 V

Ответ

vC = 21,23 V

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