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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​10 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩIR2​AR4​25 ΩBR6​20 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 36 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 8 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​2 ΩIR4​B0,2·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,2·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ωg = 0,2 A/V
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).

V1 = 6 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 Ω+−VR1​R2​ = 2 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR4​15 ΩAR5​15 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 15 Ω
VR1 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

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

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 ΩIR4​+−V1​10 VR3​2 ΩAIs​1,5 AB−+V2​9 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR4, потребляемую R4.

V1 = 10 VIs = 1,5 AV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
PR4 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAIs​0,5 ABRL​20 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 24 VIs = 0,5 AR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩRL = 20 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −0,1 V

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

Vin = −0,1 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −0,7 VR1​ = 1 kΩV2​ = −1,9 VR2​ = 2 kΩ

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

V1 = −0,7 VV2 = −1,9 VR1 = 1 kΩR2 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R = 20 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 10 ms.

Vs = 6 VR = 20 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,2 V, ровно через 20 ms после старта. При C = 22 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 20 msC = 22 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 16 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 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 = 2 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 12 + 4 = 16 Ω

Ответ

Req = 16 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 2,519 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​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​20 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 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 13,21 Ω
R3 + 13,21 = 23,21 Ω
R2 ∥ 23,21 = 2,657 Ω
Req = R1 + 2,657 = 10 + 2,657 = 12,66 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 36/12,66 = 2,844 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 2,844·10 = 7,556 V
IR2 = VA/R2 = 7,556/3 = 2,519 A

Ответ

IR2 = 2,519 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 7,831 W

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

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/6 = 0
0,4917·VA − 0,1667·VB = 0,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/6 = 1
−0,1667·VA + 0,2167·VB = 1

Решите

Δ = (0,4917)(0,2167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,07875
VA = Δ1/Δ = 0,3292/0,07875 = 4,18 V
VB = Δ2/Δ = 0,6167/0,07875 = 7,831 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 7,831·1 = 7,831 W

Ответ

PIs = 7,831 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 2,091 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

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,675·VA − 0,05·VB = 6

ЗТК в узле B

Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,2·VA
−0,25·VA + 0,55·VB = 0

Решите

Δ = (0,675)(0,55) − (−0,05)(−0,25) = 0,3588
VA = Δ1/Δ = 3,3/0,3588 = 9,199 V
VB = Δ2/Δ = 1,5/0,3588 = 4,181 V

Ток через R₄

IR4 = VB/R4 = 4,181/2 = 2,091 A

Ответ

IR4 = 2,091 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,09375 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​ = 6 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​9 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
6·I1 + 20(I1 − I2) = 6
26·I1 − 20·I2 = 6

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
20·I2 + 20(I2 − I1) = (−9)
−20·I1 + 40·I2 = −9

Решите

Δ = (26)(40) − (−20)(−20) = 640
I1 = Δ1/Δ = 60/640 = 0,09375 A
I2 = Δ2/Δ = −114/640 = −0,1781 A

Ответ

I1 = 0,09375 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 2,031 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​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR4​15 ΩAR5​15 ΩB+−V2​30 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
2·I1 + 15(I1 − I2) = 15
17·I1 − 15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 15(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 32·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−30)
−15·I2 + 40·I3 = −30

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8935
I1 = Δ1/Δ = 9075/8935 = 1,016 A
I2 = Δ2/Δ = 1350/8935 = 0,1511 A
I3 = Δ3/Δ = −6195/8935 = −0,6933 A

Ответ

IR1 = I1 = 1,016 A
VR1 = IR1·R1 = 1,016·2 = 2,031 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = −0,4492 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​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 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 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·26/(2+26) = 1,857 Ω
VA = 9·1,857/(15+1,857) = 0,9915 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 0,9915·20/26 = 0,7627 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (0,9915 − 9)/15 = −0,5339 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​1 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 7,765 = 5,593 Ω
VB = Is·Req = 1·5,593 = 5,593 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,593·1,765/7,765 = 1,271 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (1,271 − 0)/15 = 0,08475 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−0,5339) + 0,08475 = −0,4492 A

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

8.Метод наложения

Ответ: PR4 = 15,31 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​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​2 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) = 2 ∥ 25 = 1,852 Ω
VA = 10·1,852/(2+1,852) = 4,808 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,808·5/25 = 0,9615 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,9615 − 0)/5 = 0,1923 A
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​2 ΩAIs​1,5 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.

R1 ∥ R3 = 1 Ω, поэтому левый путь — R2+1 = 21 Ω
Req = R4 ∥ 21 = 4,038 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,038 = 6,058 V
VA = VB·1/21 = 0,2885 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (6,058 − 0)/5 = 1,212 A
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB−+V2​9 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·21/26 = −7,269 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,269·1/21 = −0,3462 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−7,269 − −9)/5 = 0,3462 A

Складываем вклады токов

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,1923 + 1,212 + 0,3462 = 1,75 A

Мощность в резисторе

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

PR4 = IR4²·R4 = 1,75²·5 = 15,31 W

Ответ

PR4 = 15,31 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 8,123 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 4,8 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​ = 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 12 = 14,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 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) = 6·12/(3+12) = 4,8 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 10,03 W

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​ = 10 ΩКЗR2​15 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 10 = 14,29 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAIs​0,5 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) = 17,14 + 0,5·4,286 = 19,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,29 + 0,5·10 = 24,29 V
Rth​ = 14,29 Ω+−Vth​24,29 VRL​20 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) = 24,29/(14,29 + 20) = 0,7083 A
PL = IL²·RL = 0,7083²·20 = 10,03 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,57 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₊ = −0,1 V
I = V₋/R1 = −0,1/1 = −0,1 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,1 + (−0,1)·4,7 = −0,57 V

Ответ

Vout = −0,57 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 7,755 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 = −0,7/1 = −0,7 mA
I2 = V2/R2 = −1,9/2 = −0,95 mA
If = I1 + I2 = −1,65 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −4,7·(−1,65) = 7,755 V

Ответ

Vout = 7,755 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 1,582 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 = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 A

Напряжение на катушке

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−10/7,5 = 1,582 V

Ответ

vL = 1,582 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 0,9921 kΩ

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.

Требуемая постоянная времени

7,2 = 12·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(12/(12 − 7,2))
τ = 20/0,9163 = 21,83 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 21,83/22 = 0,9921 kΩ

Ответ

R = 0,9921 kΩ

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