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​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​25 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

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

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​15 ΩIR4​B0,25·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,25·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 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ωg = 0,25 A/V
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 12 VV2 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​10 VR4​8 ΩAR5​3 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 Ω
IR3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R4​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​12 ΩAIs​2 AB+−V2​36 V

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.

V1 = 6 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩARL​20 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩRL = 20 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​2,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 36 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 2,3 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,2 VR3​ = 22 kΩR4​ = 47 kΩ

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

V1 = 2,3 VV2 = 1,2 VR1 = R3 = 22 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 3 VR = 4,7 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 3 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 10 ms.

Vin = 3 VR = 4,7 kΩC = 2,2 µFVsat = ±13 Vt = 10 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​12 Vt = 0R = 50 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

Vs = 12 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 9,6 V, ровно через 20 ms после старта. При C = 10 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 12 VVth = 9,6 VT = 20 msC = 10 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,4398 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​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​12 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 + 12 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 20·14/(20+14) = 8,235 Ω
Req = R1 + 8,235 = 3 + 8,235 = 11,24 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/11,24 = 1,068 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 1,068·3 = 8,796 V
IR2 = VA/R2 = 8,796/20 = 0,4398 A

Ответ

IR2 = 0,4398 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,869 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​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​25 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 = 15 + 25 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 16,67 Ω
R2 ∥ 16,67 = 10,71 Ω
Req = R1 + 10,71 = 10 + 10,71 = 20,71 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/20,71 = 0,869 A

Ответ

IR1 = 0,869 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 4,706 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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBIs​3 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)/4 = 0
0,6333·VA − 0,25·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/20 + (VB − VA)/4 = (−3)
−0,25·VA + 0,3·VB = −3

Решите

Δ = (0,6333)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,1275
VA = Δ1/Δ = 2,25/0,1275 = 17,65 V
VB = Δ2/Δ = 0,6/0,1275 = 4,706 V

Ответ

VB = 4,706 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 1,156 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
0,3917·VA − 0,1·VB = 1,5

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 = 0,25·VA
−0,35·VA + 0,1667·VB = 0

Решите

Δ = (0,3917)(0,1667) − (−0,1)(−0,35) = 0,03028
VA = Δ1/Δ = 0,25/0,03028 = 8,257 V
VB = Δ2/Δ = 0,525/0,03028 = 17,34 V

Ток через R₄

IR4 = VB/R4 = 17,34/15 = 1,156 A

Ответ

IR4 = 1,156 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −3,882 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​ = 4 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩA+−V2​30 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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 12
12·I1 − 8·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
3·I2 + 8(I2 − I1) = (−30)
−8·I1 + 11·I2 = −30

Решите

Δ = (12)(11) − (−8)(−8) = 68
I1 = Δ1/Δ = −108/68 = −1,588 A
I2 = Δ2/Δ = −264/68 = −3,882 A

Ответ

I2 = −3,882 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = −1,313 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR4​8 ΩAR5​3 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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 10
14·I1 − 8·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 8(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 19·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
15·I3 + 3(I3 − I2) = (−24)
−3·I2 + 18·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3510
I1 = Δ1/Δ = 2754/3510 = 0,7846 A
I2 = Δ2/Δ = 432/3510 = 0,1231 A
I3 = Δ3/Δ = −4608/3510 = −1,313 A

Ответ

IR3 = I3 = −1,313 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = −0,4085 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​ = 2 Ω+−V1​12 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 = 2+20 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·22/(10+22) = 6,875 Ω
VA = 12·6,875/(2+6,875) = 9,296 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,296·20/22 = 8,451 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 9,296)/2 = 1,352 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​10 ΩAR4​20 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 3,667 = 3,099 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,099 = 7,746 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,746·1,667/3,667 = 3,521 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 3,521)/2 = −1,761 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,352 + (−1,761) = −0,4085 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR2 = −2,368 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​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​6 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 ∥ 15 = 6,667 Ω
VA = 6·6,667/(3+6,667) = 4,138 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,138·5/15 = 1,379 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (4,138 − 1,379)/10 = 0,2759 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​12 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 = 2,4 Ω, поэтому левый путь — R2+2,4 = 12,4 Ω
Req = R4 ∥ 12,4 = 3,563 Ω
VB = Is·Req = 2·3,563 = 7,126 V
VA = VB·2,4/12,4 = 1,379 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (1,379 − 7,126)/10 = −0,5747 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​12 ΩAОБРЫВB+−V2​36 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·12,4/17,4 = 25,66 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 25,66·2,4/12,4 = 4,966 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (4,966 − 25,66)/10 = −2,069 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,2759 + (−0,5747) + (−2,069) = −2,368 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,3543 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​ = 4 ΩR3​ = 6 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 6 = 8,222 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 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) = 18·5/(4+5) = 10 V
Rth​ = 8,222 Ω+−Vth​10 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) = 10/(8,222 + 20) = 0,3543 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 45,5 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​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​2,5 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) = 18 + 2,5·6 = 33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33 + 2,5·5 = 45,5 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,35 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) = 1,2·47/(22 + 47) = 0,8174 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(2,3 − 0,8174)/22 = (0,8174 − Vout)/47
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (47/22)·(1,2 − 2,3) = −2,35 V

Ответ

Vout = −2,35 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,901 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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 4,7 kΩ · 2,2 µF = 10,34 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −3/10,34 = −0,2901 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.

Vout = −Vin·t/(RC) = −3·10/10,34 = −2,901 V

Ответ

Vout = −2,901 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,125 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.

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 / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 12/50 = 0,24 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,24·(1 − e−1/1,36) = 0,125 A

Ответ

i = 0,125 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 1,243 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

9,6 = 12·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(12/(12 − 9,6))
τ = 20/1,609 = 12,43 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 12,43/10 = 1,243 kΩ

Ответ

R = 1,243 kΩ

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