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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBR6​2 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 ΩR5 = 30 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBIs​2 A

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 3,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩVA = 3,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​5 Ω+−VR3​A+−V2​9 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
VR3 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​2 ΩIR5​B+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​?

Найдите значение источника тока Is (направление как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​12 ΩIR3​AIs​0,5 AB+−V2​15 V

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

V1 = 24 VIs = 0,5 AV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​2 ABRL​2 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 2 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −1 VRa​ = 22 kΩRb​ = 4,7 kΩ

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

Vin = −1 VRa = 22 kΩRb = 4,7 kΩR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −1,2 VR1​ = 100 kΩV2​ = −1,1 VR2​ = 10 kΩIf​

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.

V1 = −1,2 VV2 = −1,1 VR1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 47 ΩL22 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.

Vs = 5 VR = 47 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 14 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,219 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​15 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 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 6·23/(6+23) = 4,759 Ω
Req = R1 + 4,759 = 5 + 4,759 = 9,759 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/9,759 = 1,537 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,537·5 = 7,314 V
IR2 = VA/R2 = 7,314/6 = 1,219 A

Ответ

IR2 = 1,219 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8,551 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​ = 6 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​6 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 = 30 + 2 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 5,053 Ω
R3 + 5,053 = 17,05 Ω
R2 ∥ 17,05 = 2,551 Ω
Req = R1 + 2,551 = 6 + 2,551 = 8,551 Ω

Ответ

Req = 8,551 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −0,4082 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBIs​2 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/3 + (VA − 12)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,7333·VA − 0,06667·VB = 4

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/15 = 2
−0,06667·VA + 0,1917·VB = 2

Решите

Δ = (0,7333)(0,1917) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1361
VA = Δ1/Δ = 0,9/0,1361 = 6,612 V
VB = Δ2/Δ = 1,733/0,1361 = 12,73 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (6,612 − 12,73)/15 = −0,4082 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 2,528 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
(3,5 − 9)/6 + 3,5/2 = (VB − 3,5)/8
0,8333 = (VB − 3,5)/8 → VB = 10,17 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (10,17 − 3,5)/8 + 10,17/6 = 2,528 A

Ответ

Is = 2,528 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR3 = 6,556 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​ = 3 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​5 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 10
8·I1 − 5·I2 = 10

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
15·I2 + 5(I2 − I1) = (−9)
−5·I1 + 20·I2 = −9

Решите

Δ = (8)(20) − (−5)(−5) = 135
I1 = Δ1/Δ = 155/135 = 1,148 A
I2 = Δ2/Δ = −22/135 = −0,163 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 1,311 A
VR3 = IR3·R3 = 1,311·5 = 6,556 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 3,907 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​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​2 ΩB+−V2​24 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 + 10(I1 − I2) = 12
20·I1 − 10·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 10(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 20·I2 − 2·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 + 2(I3 − I2) = (−24)
−2·I2 + 6·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1720
I1 = Δ1/Δ = 912/1720 = 0,5302 A
I2 = Δ2/Δ = −240/1720 = −0,1395 A
I3 = Δ3/Δ = −6960/1720 = −4,047 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 3,907 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 0,2778 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 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​10 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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·28/(10+28) = 7,368 Ω
VA = 10·7,368/(8+7,368) = 4,795 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,795·20/28 = 3,425 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4,795 − 3,425)/8 = 0,1712 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.

R1 ∥ R2 = 4,444 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·20/32,44 = −0,6164·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,1712 − 0,6164·Is = 0
Is = 0,1712/0,6164 = 0,2778 A

Ответ

Is = 0,2778 A
8.Метод наложения

Ответ: IR3 = −0,9399 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​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​12 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) = 12 ∥ 32 = 8,727 Ω
VA = 24·8,727/(20+8,727) = 7,291 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,291·12/32 = 2,734 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 7,291)/12 = −0,6076 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​12 ΩAIs​0,5 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 = 7,5 Ω, поэтому левый путь — R2+7,5 = 27,5 Ω
Req = R4 ∥ 27,5 = 8,354 Ω
VB = Is·Req = 0,5·8,354 = 4,177 V
VA = VB·7,5/27,5 = 1,139 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 1,139)/12 = −0,09494 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​12 ΩAОБРЫВB+−V2​15 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·27,5/39,5 = 10,44 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,44·7,5/27,5 = 2,848 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 2,848)/12 = −0,2373 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,6076) + (−0,09494) + (−0,2373) = −0,9399 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 3,429 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​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​8 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 8 = 11,43 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​8 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) = 6·8/(6+8) = 3,429 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 12,89 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​ = 8 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​8 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 20 = 24 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​8 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) = 18 + 2·4 = 26 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 26 + 2·20 = 66 V
Rth​ = 24 Ω+−Vth​66 VRL​2 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) = 66/(24 + 2) = 2,538 A
PL = IL²·RL = 2,538²·2 = 12,89 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,003 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −1·4,7/(22 + 4,7) = −0,176 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −0,176·(1 + 4,7/1) = −1,003 V

Ответ

Vout = −1,003 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = −0,122 mA

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 = −1,2/100 = −0,012 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/10 = −0,11 mA
If = I1 + I2 = −0,122 mA

Ответ

If = −0,122 mA
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,09683 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 = 22 mH / 47 Ω = 0,4681 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0,1064 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,1064·(1 − e−1/0,4681) = 0,09382 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·22·0,09382² = 0,09683 mJ

Ответ

W = 0,09683 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 94,74 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.

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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 10 + (20 − 10)·e−t/τ

Выразите время

14 = 10 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (14 − 10)/(20 − 10) = 0,4
t = τ·ln((20 − 10)/(14 − 10)) = 103,4·ln(2,5) = 94,74 ms

Ответ

t = 94,74 ms

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