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​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​5 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBR6​20 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 3 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

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

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩAR5​4 ΩBIs​1,5 A−+V2​6 V

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR4​5 Ω+−VR4​AR5​3 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 ΩR5 = 3 Ω
VR4 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩIR2​AR4​3 ΩBIs​3 A

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

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​5 VR3​20 Ω+−VR3​AIs​4 AB+−V2​12 V

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

V1 = 5 VIs = 4 AV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​4 ΩAIs​0,5 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 5 VIs = 0,5 AR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 10 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 100 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 4,7 kΩRf2​ = 10 kΩ

Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Входное напряжение Vin = −0,15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 10 kΩVin = −0,15 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 50 Ωt = 0L150 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 1 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 5 ms.

i(0) = 1 AR = 50 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 VR1​ = 33 ΩR2​ = 20 Ωзамыкается при t = 0L22 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 1 ms.

Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 22,55 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​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​5 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 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 4·7/(4+7) = 2,545 Ω
Req = R1 + 2,545 = 20 + 2,545 = 22,55 Ω

Ответ

Req = 22,55 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 34,25 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​ = 30 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBR6​20 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 3,407 Ω
R3 + 3,407 = 28,41 Ω
R2 ∥ 28,41 = 4,252 Ω
Req = R1 + 4,252 = 30 + 4,252 = 34,25 Ω

Ответ

Req = 34,25 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 1,988 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​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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/2 + (VA − 9)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,675·VA − 0,125·VB = 0,45

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)/8 = 1
−0,125·VA + 0,175·VB = 1

Решите

Δ = (0,675)(0,175) − (−0,125)(−0,125) = 0,1025
VA = Δ1/Δ = 0,2037/0,1025 = 1,988 V
VB = Δ2/Δ = 0,7313/0,1025 = 7,134 V

Ответ

VA = 1,988 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = −0,1731 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​ = 4 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩAR5​4 ΩBIs​1,5 A−+V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 V, V2 = −6 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/2 + (VA − 9)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0,85·VA − 0,25·VB = 0,9

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/4 + (VB − VA)/4 + (VB − (−6))/12 = 1,5
−0,25·VA + 0,5833·VB = 1

Решите

Δ = (0,85)(0,5833) − (−0,25)(−0,25) = 0,4333
VA = Δ1/Δ = 0,775/0,4333 = 1,788 V
VB = Δ2/Δ = 1,075/0,4333 = 2,481 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (1,788 − 2,481)/4 = −0,1731 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −1,973 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​3 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
20·I1 + 3(I1 − I2) = 9
23·I1 − 3·I2 = 9

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
12·I2 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 15·I2 = −30

Решите

Δ = (23)(15) − (−3)(−3) = 336
I1 = Δ1/Δ = 45/336 = 0,1339 A
I2 = Δ2/Δ = −663/336 = −1,973 A

Ответ

I2 = −1,973 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR4 = 1,827 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​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR4​5 ΩAR5​3 ΩB+−V2​9 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 5
17·I1 − 5·I2 = 5

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
25·I2 + 5(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 33·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
3·I3 + 3(I3 − I2) = (−9)
−3·I2 + 6·I3 = −9

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3063
I1 = Δ1/Δ = 810/3063 = 0,2644 A
I2 = Δ2/Δ = −309/3063 = −0,1009 A
I3 = Δ3/Δ = −4749/3063 = −1,55 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 0,3653 A
VR4 = IR4·R4 = 0,3653·5 = 1,827 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = 0,4017 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​10 VR2​20 ΩAR4​3 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+3 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
VA = 10·7,879/(6+7,879) = 5,677 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,677·3/13 = 1,31 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (5,677 − 0)/20 = 0,2838 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​20 ΩAR4​3 ΩBIs​3 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 14,62 = 2,489 Ω
VB = Is·Req = 3·2,489 = 7,467 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,467·4,615/14,62 = 2,358 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (2,358 − 0)/20 = 0,1179 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,2838 + 0,1179 = 0,4017 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR3 = 14,03 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​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​5 VR3​20 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) = 20 ∥ 23 = 10,7 Ω
VA = 5·10,7/(15+10,7) = 2,081 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,081·8/23 = 0,724 V
VR3′ = VA − 0 = 2,081 − 0 = 2,081 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​20 ΩAIs​4 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 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 23,57 Ω
Req = R4 ∥ 23,57 = 5,973 Ω
VB = Is·Req = 4·5,973 = 23,89 V
VA = VB·8,571/23,57 = 8,688 V
VR3″ = VA − 0 = 8,688 − 0 = 8,688 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​20 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·23,57/31,57 = 8,959 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,959·8,571/23,57 = 3,258 V
VR3‴ = VA − 0 = 3,258 − 0 = 3,258 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 2,081 + 8,688 + 3,258 = 14,03 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,9677 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​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​20 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 8 = 15,5 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​20 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) = 24·20/(12+20) = 15 V
IN​0,9677 ARth​15,5 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 = 15/15,5 = 0,9677 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 0,6609 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​ = 25 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​4 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 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 20 = 23,45 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​4 ΩAIs​0,5 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) = 0,6897 + 0,5·3,448 = 2,414 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,414 + 0,5·20 = 12,41 V
Rth​ = 23,45 Ω+−Vth​12,41 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) = 12,41/(23,45 + 3) = 0,4694 A
PL = IL²·RL = 0,4694²·3 = 0,6609 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 1,2 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 = 10/1 = 10

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/10 = 1,2 V

Ответ

Vin,max = 1,2 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 9,982 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 каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −100/4,7 = −21,28
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/4,7 = 3,128

Каскад за каскадом

V1 = −21,28·(−0,15) = 3,191 V
Vout = 3,128·3,191 = 9,982 V

Ответ

Vout = 9,982 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1889 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

τ = L/R = 150 mH / 50 Ω = 3 ms

Убывание тока

i(t) = 1·e−5/3 = 0,1889 A

Ответ

i = 0,1889 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1665 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 6/(33 + 20) = 0,1132 A
i(∞) = 6/33 = 0,1818 A
τ = L/R = 22/33 = 0,6667 ms
i(t) = 0,1818 + (0,1132 − 0,1818)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(1) = 0,1818 + (−0,06861)·e−1/0,6667 = 0,1665 A

Ответ

i = 0,1665 A

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