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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩIR2​AR4​5 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 8 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

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

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 5 Ω−+Vs​ = 12 VIx​+−V1​24 VR2​3 ΩAR3​30 ΩBIs​1,5 A

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.

V1 = 24 VIs = 1,5 AVs = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 Ω
Ix = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R2​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​30 ΩAR5​5 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBIs​?

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

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 Ω−+VR2​R4​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​2 ΩAIs​1 AB+−V2​12 V

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

V1 = 6 VIs = 1 AV2 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAIs​2 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩRL = 3 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 1 kΩRf = 47 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −1,9 VR1​ = 100 kΩV2​ = −1,8 VR2​ = 10 kΩ

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

V1 = −1,9 VV2 = −1,8 VR1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 60 ms.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 15 Vt = 60 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,9574 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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​6 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 = 4 + 6 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Req = R1 + 3,75 = 8 + 3,75 = 11,75 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/11,75 = 1,532 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,532·8 = 5,745 V
IR2 = VA/R2 = 5,745/6 = 0,9574 A

Ответ

IR2 = 0,9574 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,7108 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​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAR4​5 ΩBR6​12 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 + 12 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 4 Ω
R3 + 4 = 34 Ω
R2 ∥ 34 = 15,94 Ω
Req = R1 + 15,94 = 2 + 15,94 = 17,94 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/17,94 = 1,338 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,338·2 = 21,32 V
IR2 = VA/R2 = 21,32/30 = 0,7108 A

Ответ

IR2 = 0,7108 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 9,689 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​12 VR2​8 ΩAR4​2 ΩBIs​5 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/8 + (VA − 12)/3 + (VA − VB)/4 = 0
0,7083·VA − 0,25·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/2 + (VB − VA)/4 = 5
−0,25·VA + 0,75·VB = 5

Решите

Δ = (0,7083)(0,75) − (−0,25)(−0,25) = 0,4688
VA = Δ1/Δ = 4,25/0,4688 = 9,067 V
VB = Δ2/Δ = 4,542/0,4688 = 9,689 V

Ответ

VB = 9,689 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Ix = −0,7529 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 24)/5 + VA/3 + (VA + 12)/30 = 1,5
VA·(1/5 + 1/3 + 1/30) = 1,5 + 24/5 − 12/30 = 5,9
VA = 5,9/0,5667 = 10,41 V
VB = 22,41 V

Ток через источник напряжения

ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.

IR1 = (24 − 10,41)/5 = 2,718 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 2,718 − 10,41/3 = −0,7529 A

Ответ

Ix = −0,7529 A

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

5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 2,112 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​ = 2 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​15 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
2·I1 + 15(I1 − I2) = 18
17·I1 − 15·I2 = 18

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
4·I2 + 15(I2 − I1) = (−9)
−15·I1 + 19·I2 = −9

Решите

Δ = (17)(19) − (−15)(−15) = 98
I1 = Δ1/Δ = 207/98 = 2,112 A
I2 = Δ2/Δ = 117/98 = 1,194 A

Ответ

IR1 = I1 = 2,112 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,3249 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​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​30 ΩAR5​5 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 + 30(I1 − I2) = 30
55·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 30(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 41·I2 − 5·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
3·I3 + 5(I3 − I2) = (−15)
−5·I2 + 8·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9465
I1 = Δ1/Δ = 6840/9465 = 0,7227 A
I2 = Δ2/Δ = 3075/9465 = 0,3249 A
I3 = Δ3/Δ = −15825/9465 = −1,672 A

Ответ

I2 = 0,3249 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 0,9375 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​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​12 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 = 10+12 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·22/(10+22) = 6,875 Ω
VA = 18·6,875/(6+6,875) = 9,612 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,612·12/22 = 5,243 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (9,612 − 5,243)/10 = 0,4369 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 = 3,75 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·12/25,75 = −0,466·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,4369 − 0,466·Is = 0
Is = 0,4369/0,466 = 0,9375 A

Ответ

Is = 0,9375 A
8.Метод наложения

Ответ: VR2 = 2,382 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​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​6 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 ∥ 28 = 1,867 Ω
VA = 6·1,867/(25+1,867) = 0,4169 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,4169·8/28 = 0,1191 V
VR2′ = VB − VA = 0,1191 − 0,4169 = −0,2978 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​2 ΩAIs​1 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 = 1,852 Ω, поэтому левый путь — R2+1,852 = 21,85 Ω
Req = R4 ∥ 21,85 = 5,856 Ω
VB = Is·Req = (−1)·5,856 = −5,856 V
VA = VB·1,852/21,85 = −0,4963 V
VR2″ = VB − VA = −5,856 − −0,4963 = −5,36 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB+−V2​12 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 = 25·2/(25+2) = 1,852 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·21,85/29,85 = 8,784 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,784·1,852/21,85 = 0,7444 V
VR2‴ = VB − VA = 8,784 − 0,7444 = 8,04 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−0,2978) + (−5,36) + 8,04 = 2,382 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 5,143 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​ = 20 ΩR3​ = 10 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 10 = 18,57 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 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) = 12·15/(20+15) = 5,143 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = −1,136 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​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 5 = 11,67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 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) = 6,667 + (−2)·6,667 = −6,667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −6,667 + (−2)·5 = −16,67 V
Rth​ = 11,67 Ω−+Vth​16,67 VRL​3 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) = −16,67/(11,67 + 3) = −1,136 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 0,2979 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.

Коэффициент усиления

|Av| = Rf/R1 = 47/1 = 47

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/47 = 0,2979 V

Ответ

Vin,max = 0,2979 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 9,353 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 = −1,9/100 = −0,019 mA
I2 = V2/R2 = −1,8/10 = −0,18 mA
If = I1 + I2 = −0,199 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −47·(−0,199) = 9,353 V

Ответ

Vout = 9,353 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,146 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 = 150 mH / 50 Ω = 3 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,18·(1 − e−5/3) = 0,146 A

Ответ

i = 0,146 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 12,84 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.

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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 47 µF = 47 ms
vC(t) = 12 + (15 − 12)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(60) = 12 + (3)·e−60/47 = 12,84 V

Ответ

vC = 12,84 V

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