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​10 VR2​3 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​4 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 30 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​10 ΩIR4​B0,4·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,4·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ωg = 0,4 A/V
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩIR2​+−V1​15 VR3​15 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
IR2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR4​20 ΩAR5​6 ΩIR5​B+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
линейная цепьVs​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 6 V и Is = 6 mA I = 1,8 mA; при Vs = 15 V и Is = 5 mA I = 3,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 3 mA.

6 V, 6 mA → 1,8 mA15 V, 5 mA → 3,5 mAVs = 5 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​15 VR3​6 ΩAIs​2,5 AB+−V2​5 V

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

V1 = 15 VIs = 2,5 AV2 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​3 ABRL​6 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 ΩRL = 6 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 1 VR1​ = 47 kΩV2​ = −2,5 VR3​ = 47 kΩR4​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 1 VV2 = −2,5 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1,5 VR1​ = 10 kΩV2​ = −1,1 VR2​ = 2 kΩ

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

V1 = 1,5 VV2 = −1,1 VR1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 68 ΩL100 mHi(t)

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

Vs = 15 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 15,3 V? Найдите t.

Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,532 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​10 VR2​3 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 3·17/(3+17) = 2,55 Ω
Req = R1 + 2,55 = 3 + 2,55 = 5,55 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/5,55 = 1,802 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,802·3 = 4,595 V
IR2 = VA/R2 = 4,595/3 = 1,532 A

Ответ

IR2 = 1,532 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 3,297 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​ = 2 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​4 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 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 5,1 Ω
R3 + 5,1 = 9,1 Ω
R2 ∥ 9,1 = 1,64 Ω
Req = R1 + 1,64 = 2 + 1,64 = 3,64 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/3,64 = 3,297 A

Ответ

IR1 = 3,297 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 6,569 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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​2,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 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/6 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,4667·VA − 0,05·VB = 2,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/20 = 2,5
−0,05·VA + 0,25·VB = 2,5

Решите

Δ = (0,4667)(0,25) − (−0,05)(−0,05) = 0,1142
VA = Δ1/Δ = 0,75/0,1142 = 6,569 V
VB = Δ2/Δ = 1,292/0,1142 = 11,31 V

Ответ

VA = 6,569 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 8,75 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
0,2667·VA − 0,06667·VB = 2,5

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 = 0,4·VA
−0,4667·VA + 0,1667·VB = 0

Решите

Δ = (0,2667)(0,1667) − (−0,06667)(−0,4667) = 0,01333
VA = Δ1/Δ = 0,4167/0,01333 = 31,25 V
VB = Δ2/Δ = 1,167/0,01333 = 87,5 V

Ток через R₄

IR4 = VB/R4 = 87,5/10 = 8,75 A

Ответ

IR4 = 8,75 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,0625 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​ = 12 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​15 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
12·I1 + 15(I1 − I2) = 15
27·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 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 15(I2 − I1) = (−10)
−15·I1 + 35·I2 = −10

Решите

Δ = (27)(35) − (−15)(−15) = 720
I1 = Δ1/Δ = 375/720 = 0,5208 A
I2 = Δ2/Δ = −45/720 = −0,0625 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,0625 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,6699 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​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR4​20 ΩAR5​6 ΩB+−V2​5 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
4·I1 + 20(I1 − I2) = 12
24·I1 − 20·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
30·I2 + 20(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 56·I2 − 6·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
2·I3 + 6(I3 − I2) = (−5)
−6·I2 + 8·I3 = −5

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6688
I1 = Δ1/Δ = 4344/6688 = 0,6495 A
I2 = Δ2/Δ = 1200/6688 = 0,1794 A
I3 = Δ3/Δ = −3280/6688 = −0,4904 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,6699 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 1,3 mA

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.

Записываем отклик как сумму вкладов

Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.

I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 6·k₂ = 1,8
15·k₁ + 5·k₂ = 3,5

Находим константы

Δ = (6)(5) − (6)(15) = −60
k₁ = Δ1/Δ = −12/−60 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = −6/−60 = 0,1
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,1

Предсказываем новый ток

I = 0,2·5 + 0,1·3 = 1,3 mA

Ответ

I = 1,3 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR4 = 1,706 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​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​6 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) = 6 ∥ 45 = 5,294 Ω
VA = 15·5,294/(25+5,294) = 2,621 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,621·15/45 = 0,8738 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,8738 − 0)/15 = 0,05825 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​6 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 = 4,839 Ω, поэтому левый путь — R2+4,839 = 34,84 Ω
Req = R4 ∥ 34,84 = 10,49 Ω
VB = Is·Req = 2,5·10,49 = 26,21 V
VA = VB·4,839/34,84 = 3,641 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (26,21 − 0)/15 = 1,748 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​6 ΩAОБРЫВB+−V2​5 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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·34,84/49,84 = 3,495 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,495·4,839/34,84 = 0,4854 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3,495 − 5)/15 = −0,1003 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,05825 + 1,748 + (−0,1003) = 1,706 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,3913 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​ = 15 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 15 = 16,43 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 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) = 9·5/(2+5) = 6,429 V
IN​0,3913 ARth​16,43 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 6,429/16,43 = 0,3913 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 44,11 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​ = 4 ΩR3​ = 30 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 30 = 33 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​3 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) = 6,75 + 3·3 = 15,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,75 + 3·30 = 105,8 V
Rth​ = 33 Ω+−Vth​105,8 VRL​6 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) = 105,8/(33 + 6) = 2,712 A
PL = IL²·RL = 2,712²·6 = 44,11 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,35 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) = −2,5·4,7/(47 + 4,7) = −0,2273 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(1 − −0,2273)/47 = (−0,2273 − Vout)/4,7
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (4,7/47)·(−2,5 − 1) = −0,35 V

Ответ

Vout = −0,35 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,4 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 = 1,5/10 = 0,15 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/2 = −0,55 mA
If = I1 + I2 = −0,4 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −1·(−0,4) = 0,4 V

Ответ

Vout = 0,4 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1088 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 = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 15/68 = 0,2206 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,2206·(1 − e−1/1,471) = 0,1088 A

Ответ

i = 0,1088 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 114 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 9 + (18 − 9)·e−t/τ

Выразите время

15,3 = 9 + (9)·e−t/τ → e−t/τ = (15,3 − 9)/(18 − 9) = 0,7
t = τ·ln((18 − 9)/(15,3 − 9)) = 319,6·ln(1,429) = 114 ms

Ответ

t = 114 ms

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