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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​2 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAR4​5 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 ΩR5 = 12 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​10 Ω+−V1​6 VR2​15 Ω+−V2​15 VR3​12 ΩI3​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 = 6 VR1 = 10 ΩV2 = 15 VR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 25 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​8 ΩBIs​0,5 A+−V2​15 V

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

V1 = 6 VIs = 0,5 AV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​8 Ω+−VR3​A+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
VR3 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​3 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​4 Ω−+VR2​AR4​2 ΩBIs​5 A

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

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​15 VR3​2 ΩAIs​2,5 AB+−V2​10 V

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 15 VIs = 2,5 AV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩARL​20 ΩIL​B

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

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩRL = 20 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAIs​1 ABRL​20 ΩIL​

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

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 20 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 4.

R1 = 4,7 kΩAv = 4
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 1,4 VR1​ = 22 kΩV2​ = −1 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 1,4 VV2 = −1 VR1 = 22 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 68 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 68 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​20 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 16 V? Найдите t.

Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 12 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 21,75 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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​2 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
Req = R1 + 1,75 = 20 + 1,75 = 21,75 Ω

Ответ

Req = 21,75 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,483 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​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAR4​5 ΩBR6​5 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 3,864 Ω
R3 + 3,864 = 9,864 Ω
R2 ∥ 9,864 = 7,423 Ω
Req = R1 + 7,423 = 5 + 7,423 = 12,42 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/12,42 = 0,483 A

Ответ

IR1 = 0,483 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I3 = −0,5333 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 − 6)/10 + (VA − 15)/15 + VA/12 = 0

Находим VA

VA = (6/10 + 15/15 + 0/12) / (1/10 + 1/15 + 1/12) = 1,6/0,25 = 6,4 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,4)/12 = −0,5333 A

Ответ

I3 = −0,5333 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,2369 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​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​8 ΩBIs​0,5 A+−V2​15 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = 15 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/30 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/25 = 0
0,1733·VA − 0,04·VB = 0,6

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/8 + (VB − VA)/25 + (VB − 15)/30 = (−0,5)
−0,04·VA + 0,1983·VB = 0

Решите

Δ = (0,1733)(0,1983) − (−0,04)(−0,04) = 0,03278
VA = Δ1/Δ = 0,119/0,03278 = 3,631 V
VB = Δ2/Δ = 0,024/0,03278 = 0,7322 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 3,631)/10 = 0,2369 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR3 = 16,1 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​ = 6 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​10 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 + 8(I1 − I2) = 30
14·I1 − 8·I2 = 30

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 + 8(I2 − I1) = (−10)
−8·I1 + 28·I2 = −10

Решите

Δ = (14)(28) − (−8)(−8) = 328
I1 = Δ1/Δ = 760/328 = 2,317 A
I2 = Δ2/Δ = 100/328 = 0,3049 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 2,012 A
VR3 = IR3·R3 = 2,012·8 = 16,1 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,3866 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​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​3 ΩB+−V2​15 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
25·I1 + 8(I1 − I2) = 12
33·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 8(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 16·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
25·I3 + 3(I3 − I2) = (−15)
−3·I2 + 28·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 12695
I1 = Δ1/Δ = 4908/12695 = 0,3866 A
I2 = Δ2/Δ = 1203/12695 = 0,09476 A
I3 = Δ3/Δ = −6672/12695 = −0,5256 A

Ответ

I1 = 0,3866 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = −1,622 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​ = 6 ΩR3​ = 3 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 = 3+2 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VA = 18·2,222/(6+2,222) = 4,865 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,865·2/5 = 1,946 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 4,865 = −4,865 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​4 ΩAR4​2 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 5,4 = 1,459 Ω
VB = Is·Req = (−5)·1,459 = −7,297 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −7,297·2,4/5,4 = −3,243 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − −3,243 = 3,243 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−4,865) + 3,243 = −1,622 V

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

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −1,155 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 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​15 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 ∥ 20 = 1,818 Ω
VA = 15·1,818/(15+1,818) = 1,622 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,622·15/20 = 1,216 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,216 − 0)/15 = 0,08108 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 ΩAIs​2,5 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 = 1,765 Ω, поэтому левый путь — R2+1,765 = 6,765 Ω
Req = R4 ∥ 6,765 = 4,662 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·4,662 = −11,66 V
VA = VB·1,765/6,765 = −3,041 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−11,66 − 0)/15 = −0,777 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB+−V2​10 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·6,765/21,76 = 3,108 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,108·1,765/6,765 = 0,8108 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3,108 − 10)/15 = −0,4595 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,08108 + (−0,777) + (−0,4595) = −1,155 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,989 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​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​15 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 5 = 6,765 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 30·15/(2+15) = 26,47 V
Rth​ = 6,765 Ω+−Vth​26,47 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) = 26,47/(6,765 + 20) = 0,989 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,6579 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​ = 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 20 = 23,43 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAIs​1 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) = 5,143 + 1·3,429 = 8,571 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,571 + 1·20 = 28,57 V
Rth​ = 23,43 Ω+−Vth​28,57 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) = 28,57/(23,43 + 20) = 0,6579 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 14,1 kΩ

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.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (4 − 1)·4,7 = 14,1 kΩ

Ответ

Rf = 14,1 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,491 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 = 1,4/22 = 0,06364 mA
I2 = V2/R2 = −1/4,7 = −0,2128 mA
If = I1 + I2 = −0,1491 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −10·(−0,1491) = 1,491 V

Ответ

Vout = 1,491 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 0,01002 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 = 10 mH / 68 Ω = 0,1471 ms
i(∞) = Vs/R = 9/68 = 0,1324 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 = 9·e−1/0,1471 = 0,01002 V

Ответ

vL = 0,01002 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 75,48 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 20 + (12 − 20)·e−t/τ

Выразите время

16 = 20 + (−8)·e−t/τ → e−t/τ = (16 − 20)/(12 − 20) = 0,5
t = τ·ln((12 − 20)/(16 − 20)) = 108,9·ln(2) = 75,48 ms

Ответ

t = 75,48 ms

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