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 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 ΩR5 = 5 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

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

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 12,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 ΩVA = 12,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR4​20 ΩAR5​2 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 2 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​20 Ω+−VR4​BIs​1 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​12 VR3​5 ΩAIs​1,5 AB−+V2​5 V

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

V1 = 12 VIs = 1,5 AV2 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 25 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩARL​6 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAIs​5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = 2,9 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −2,6 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 2 kΩ

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

V1 = 2,9 VV2 = −2,6 VR1 = R3 = 4,7 kΩR2 = R4 = 2 kΩ
V− = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = 0,9 VR = 10 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 0,9 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 2 ms.

Vin = 0,9 VR = 10 kΩC = 0,1 µFVsat = ±14 Vt = 2 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R = 20 ΩL10 mHi(t)

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

Vs = 6 VR = 20 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.

Vs = 10 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 20 Vt = 150 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,843 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 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 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 2·32/(2+32) = 1,882 Ω
Req = R1 + 1,882 = 3 + 1,882 = 4,882 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/4,882 = 1,843 A

Ответ

IR1 = 1,843 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,9431 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​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​8 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 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 4,444 Ω
R3 + 4,444 = 19,44 Ω
R2 ∥ 19,44 = 4,585 Ω
Req = R1 + 4,585 = 10 + 4,585 = 14,59 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/14,59 = 1,234 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,234·10 = 5,659 V
IR2 = VA/R2 = 5,659/6 = 0,9431 A

Ответ

IR2 = 0,9431 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −0,3846 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​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 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 − 15)/3 + (VA − VB)/6 = 0
0,6667·VA − 0,1667·VB = 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)/6 = 3
−0,1667·VA + 0,3667·VB = 3

Решите

Δ = (0,6667)(0,3667) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2167
VA = Δ1/Δ = 2,333/0,2167 = 10,77 V
VB = Δ2/Δ = 2,833/0,2167 = 13,08 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (10,77 − 13,08)/6 = −0,3846 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 3,208 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
(12,5 − 15)/30 + 12,5/15 = (VB − 12,5)/3
0,75 = (VB − 12,5)/3 → VB = 14,75 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (14,75 − 12,5)/3 + 14,75/6 = 3,208 A

Ответ

Is = 3,208 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = −0,1636 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​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA+−V2​18 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
20·I1 + 10(I1 − I2) = 6
30·I1 − 10·I2 = 6

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
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 18·I2 = −18

Решите

Δ = (30)(18) − (−10)(−10) = 440
I1 = Δ1/Δ = −72/440 = −0,1636 A
I2 = Δ2/Δ = −480/440 = −1,091 A

Ответ

I1 = −0,1636 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 5,115 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​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR4​20 ΩAR5​2 ΩB+−V2​12 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
3·I1 + 20(I1 − I2) = 36
23·I1 − 20·I2 = 36

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
3·I2 + 20(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 25·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
30·I3 + 2(I3 − I2) = (−12)
−2·I2 + 32·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5508
I1 = Δ1/Δ = 28176/5508 = 5,115 A
I2 = Δ2/Δ = 22488/5508 = 4,083 A
I3 = Δ3/Δ = −660/5508 = −0,1198 A

Ответ

IR1 = I1 = 5,115 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = 10,64 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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 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 = 5+20 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
VA = 10·9,375/(20+9,375) = 3,191 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,191·20/25 = 2,553 V
VR4′ = VB − 0 = 2,553 − 0 = 2,553 V
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​1 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 13,57 = 8,085 Ω
VB = Is·Req = 1·8,085 = 8,085 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,085·8,571/13,57 = 5,106 V
VR4″ = VB − 0 = 8,085 − 0 = 8,085 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2,553 + 8,085 = 10,64 V

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

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −0,5762 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​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​5 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) = 5 ∥ 50 = 4,545 Ω
VA = 12·4,545/(5+4,545) = 5,714 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,714·25/50 = 2,857 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2,857 − 0)/25 = 0,1143 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​5 ΩAIs​1,5 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 = 2,5 Ω, поэтому левый путь — R2+2,5 = 27,5 Ω
Req = R4 ∥ 27,5 = 13,1 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·13,1 = −19,64 V
VA = VB·2,5/27,5 = −1,786 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−19,64 − 0)/25 = −0,7857 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​5 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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−5)·27,5/52,5 = −2,619 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,619·2,5/27,5 = −0,2381 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−2,619 − −5)/25 = 0,09524 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1143 + (−0,7857) + 0,09524 = −0,5762 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,48 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​ = 3 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 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/(10+15) = 7,2 V
Rth​ = 9 Ω+−Vth​7,2 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) = 7,2/(9 + 6) = 0,48 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 30 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 3 = 4,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAIs​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) = 7,5 + 5·1,5 = 15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15 + 5·3 = 30 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = −0,7761 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) = −2,6·2/(4,7 + 2) = −0,7761 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = −0,7761 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,8 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 = 10 kΩ · 0,1 µF = 1 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −0,9/1 = −0,9 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −0,9·2/1 = −1,8 V

Ответ

Vout = −1,8 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2594 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 = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,3·(1 − e−1/0,5) = 0,2594 A

Ответ

i = 0,2594 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 13,67 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 10 + (20 − 10)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(150) = 10 + (10)·e−150/149,6 = 13,67 V

Ответ

vC = 13,67 V

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