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​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​15 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩR5 = 8 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​1,5 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 11,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩVA = 11,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR4​5 ΩAR5​25 ΩIR5​B+−V2​18 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR5 через R5 в направлении стрелки.

V1 = 36 VV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

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

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 Ω+−VR2​R4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩAIs​2 AB−+V2​24 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 6 VIs = 2 AV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩARL​5 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​2 ABRL​4 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = −1,6 VR1​ = 100 kΩV2​ = 2,3 VR3​ = 100 kΩR4​ = 10 kΩ

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

V1 = −1,6 VV2 = 2,3 VR1 = R3 = 100 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
V− = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −0,5 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −0,6 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = −0,5 VV2 = −0,6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 VR1​ = 33 ΩR2​ = 22 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 = 24 VR1 = 33 ΩR2 = 22 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 15,35 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​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​4 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 12·19/(12+19) = 7,355 Ω
Req = R1 + 7,355 = 8 + 7,355 = 15,35 Ω

Ответ

Req = 15,35 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1178 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​ = 2 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBR6​15 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 3,407 Ω
R3 + 3,407 = 5,407 Ω
R2 ∥ 5,407 = 4,257 Ω
Req = R1 + 4,257 = 12 + 4,257 = 16,26 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/16,26 = 0,5536 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,5536·12 = 2,357 V
IR2 = VA/R2 = 2,357/20 = 0,1178 A

Ответ

IR2 = 0,1178 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = 1,831 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​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​1,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 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 − 30)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,5083·VA − 0,125·VB = 10

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)/8 = 1,5
−0,125·VA + 0,625·VB = 1,5

Решите

Δ = (0,5083)(0,625) − (−0,125)(−0,125) = 0,3021
VA = Δ1/Δ = 6,438/0,3021 = 21,31 V
VB = Δ2/Δ = 2,013/0,3021 = 6,662 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (21,31 − 6,662)/8 = 1,831 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 3,378 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
(11,5 − 9)/6 + 11,5/10 = (VB − 11,5)/10
1,567 = (VB − 11,5)/10 → VB = 27,17 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (27,17 − 11,5)/10 + 27,17/15 = 3,378 A

Ответ

Is = 3,378 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,4167 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​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​20 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
8·I1 + 20(I1 − I2) = 15
28·I1 − 20·I2 = 15

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
2·I2 + 20(I2 − I1) = (−12)
−20·I1 + 22·I2 = −12

Решите

Δ = (28)(22) − (−20)(−20) = 216
I1 = Δ1/Δ = 90/216 = 0,4167 A
I2 = Δ2/Δ = −36/216 = −0,1667 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,4167 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,714 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​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR4​5 ΩAR5​25 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 36
8·I1 − 5·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
5·I2 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 35·I2 − 25·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 + 25(I3 − I2) = (−18)
−25·I2 + 29·I3 = −18

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2395
I1 = Δ1/Δ = 11790/2395 = 4,923 A
I2 = Δ2/Δ = 1620/2395 = 0,6764 A
I3 = Δ3/Δ = −90/2395 = −0,03758 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,714 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 0,2857 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​10 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 = 5+10 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
VA = 12·3,158/(2+3,158) = 7,347 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,347·10/15 = 4,898 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 7,347)/2 = 2,327 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​4 ΩAR4​10 ΩBIs​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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 6,333 = 3,878 Ω
VB = Is·Req = 5·3,878 = 19,39 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 19,39·1,333/6,333 = 4,082 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4,082)/2 = −2,041 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 2,327 + (−2,041) = 0,2857 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = 25,41 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 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 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) = 5 ∥ 21 = 4,038 Ω
VA = 6·4,038/(4+4,038) = 3,014 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,014·6/21 = 0,8612 V
VR2′ = VA − VB = 3,014 − 0,8612 = 2,153 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​5 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 = 2,222 Ω, поэтому левый путь — R2+2,222 = 17,22 Ω
Req = R4 ∥ 17,22 = 4,45 Ω
VB = Is·Req = (−2)·4,45 = −8,9 V
VA = VB·2,222/17,22 = −1,148 V
VR2″ = VA − VB = −1,148 − −8,9 = 7,751 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB−+V2​24 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·17,22/23,22 = −17,8 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −17,8·2,222/17,22 = −2,297 V
VR2‴ = VA − VB = −2,297 − −17,8 = 15,5 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 2,153 + 7,751 + 15,5 = 25,41 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,9574 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​ = 3 ΩКЗR2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 3 = 6,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​10 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) = 18·10/(6+10) = 11,25 V
Rth​ = 6,75 Ω+−Vth​11,25 VRL​5 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) = 11,25/(6,75 + 5) = 0,9574 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,164 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​ = 3 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 3 = 4,714 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 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) = 0,7143 + 2·1,714 = 4,143 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,143 + 2·3 = 10,14 V
Rth​ = 4,714 Ω+−Vth​10,14 VRL​4 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) = 10,14/(4,714 + 4) = 1,164 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = 0,2091 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) = 2,3·10/(100 + 10) = 0,2091 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = 0,2091 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,124 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 = −0,5/4,7 = −0,1064 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/100 = −0,006 mA
If = I1 + I2 = −0,1124 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −10·(−0,1124) = 1,124 V

Ответ

Vout = 1,124 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 60,44 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 / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·1,333² = 60,44 mJ

Ответ

W(∞) = 60,44 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,4913 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) = 24/33 = 0,7273 A
i(∞) = 24/(33 + 22) = 0,4364 A
τ = L/R = 33/55 = 0,6 ms
i(t) = 0,4364 + (0,7273 − 0,4364)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(1) = 0,4364 + (0,2909)·e−1/0,6 = 0,4913 A

Ответ

i = 0,4913 A

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