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​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 12 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​4 A

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

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 Ω−+Vs​ = 5 V+−V1​10 VR2​3 ΩAR3​3 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 узловое напряжение VB (относительно земли).

V1 = 10 VIs = 1,5 AVs = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 Ω+−VR2​+−V1​15 VR3​3 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 Ω+−VR1​R2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​10 ΩAR5​5 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR1 на R1 с указанной полярностью.

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 5 Ω
VR1 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBIs​?

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

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
Is = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​30 ΩIR3​AIs​6 AB−+V2​9 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.

V1 = 18 VIs = 6 AV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAIs​6 ABRL​4 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 30 VIs = 6 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 1 VRa​ = 1 kΩRb​ = 1 kΩ

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

Vin = 1 VRa = 1 kΩRb = 1 kΩR1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = −2,3 VR = 4,7 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −2,3 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.

Vin = −2,3 VR = 4,7 kΩC = 4,7 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 47 Ωt = 0L33 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 3,3 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 3 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 6,6 V? Найдите t.

Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,898 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​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​8 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 3·28/(3+28) = 2,71 Ω
Req = R1 + 2,71 = 3 + 2,71 = 5,71 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/5,71 = 2,102 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 2,102·3 = 5,695 V
IR2 = VA/R2 = 5,695/3 = 1,898 A

Ответ

IR2 = 1,898 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 3,428 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​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​2 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 + 2 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,091 Ω
R3 + 5,091 = 15,09 Ω
R2 ∥ 15,09 = 2,503 Ω
Req = R1 + 2,503 = 8 + 2,503 = 10,5 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 36/10,5 = 3,428 A

Ответ

IR1 = 3,428 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 15,59 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​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​4 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/8 + (VA − 10)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 1,25

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)/8 = 4
−0,125·VA + 0,325·VB = 4

Решите

Δ = (0,375)(0,325) − (−0,125)(−0,125) = 0,1063
VA = Δ1/Δ = 0,9063/0,1063 = 8,529 V
VB = Δ2/Δ = 1,656/0,1063 = 15,59 V

Ответ

VB = 15,59 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 5,33 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.

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 + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 10)/25 + VA/3 + (VA + 5)/3 = 1,5
VA·(1/25 + 1/3 + 1/3) = 1,5 + 10/25 − 5/3 = 0,2333
VA = 0,2333/0,7067 = 0,3302 V
VB = 5,33 V

Ответ

VB = 5,33 V
5.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = −8 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​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩA+−V2​15 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 + 3(I1 − I2) = 15
9·I1 − 3·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
8·I2 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 11·I2 = −15

Решите

Δ = (9)(11) − (−3)(−3) = 90
I1 = Δ1/Δ = 120/90 = 1,333 A
I2 = Δ2/Δ = −90/90 = −1 A

Ответ

IR2 = I2 = −1 A
VR2 = IR2·R2 = −1·8 = −8 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = 10,24 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​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​10 ΩAR5​5 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
2·I1 + 10(I1 − I2) = 30
12·I1 − 10·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
2·I2 + 10(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 17·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
10·I3 + 5(I3 − I2) = (−9)
−5·I2 + 15·I3 = −9

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1260
I1 = Δ1/Δ = 6450/1260 = 5,119 A
I2 = Δ2/Δ = 3960/1260 = 3,143 A
I3 = Δ3/Δ = 564/1260 = 0,4476 A

Ответ

IR1 = I1 = 5,119 A
VR1 = IR1·R1 = 5,119·2 = 10,24 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: Is = 2 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​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​12 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 = 3+3 = 6 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·6/(12+6) = 4 Ω
VA = 10·4/(8+4) = 3,333 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,333·3/6 = 1,667 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,333 − 1,667)/3 = 0,5556 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 = 4,8 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·3/10,8 = −0,2778·Is

Приравниваем сумму к нулю

IR3′ + IR3″ = 0,5556 − 0,2778·Is = 0
Is = 0,5556/0,2778 = 2 A

Ответ

Is = 2 A
8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 12,24 W

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​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​30 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) = 30 ∥ 10 = 7,5 Ω
VA = 18·7,5/(8+7,5) = 8,71 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,71·6/10 = 5,226 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (8,71 − 0)/30 = 0,2903 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​30 ΩAIs​6 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 = 6,316 Ω, поэтому левый путь — R2+6,316 = 10,32 Ω
Req = R4 ∥ 10,32 = 3,794 Ω
VB = Is·Req = 6·3,794 = 22,76 V
VA = VB·6,316/10,32 = 13,94 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (13,94 − 0)/30 = 0,4645 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​30 ΩAОБРЫВB−+V2​9 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·10,32/16,32 = −5,69 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,69·6,316/10,32 = −3,484 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−3,484 − 0)/30 = −0,1161 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,2903 + 0,4645 + (−0,1161) = 0,6387 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR3 = IR3²·R3 = 0,6387²·30 = 12,24 W

Ответ

PR3 = 12,24 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 9,406 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,8 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​ = 8 ΩR3​ = 5 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 5 = 10,71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 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) = 12·20/(8+20) = 8,571 V
IN​0,8 ARth​10,71 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 = 8,571/10,71 = 0,8 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 140 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​ = 3 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 20 = 22,18 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAIs​6 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) = 21,82 + 6·2,182 = 34,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 34,91 + 6·20 = 154,9 V
Rth​ = 22,18 Ω+−Vth​154,9 VRL​4 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) = 154,9/(22,18 + 4) = 5,917 A
PL = IL²·RL = 5,917²·4 = 140 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,675 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 входе +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 1·1/(1 + 1) = 0,5 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,5·(1 + 4,7/2) = 1,675 V

Ответ

Vout = 1,675 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: t = 124,9 ms

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 = 4,7 kΩ · 4,7 µF = 22,09 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,3)/22,09 = 0,1041 V/ms

Время до насыщения

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·22,09/2,3 = 124,9 ms

Ответ

t = 124,9 ms
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 22,62 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

τ = L/R = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms

Убывание тока

i(t) = 2·e−1/0,7021 = 0,4814 A
vR = R·i = 47·0,4814 = 22,62 V

Ответ

vR = 22,62 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 665,2 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 220 µF = 726 ms
vC(t) = 9 + (3 − 9)·e−t/τ

Выразите время

6,6 = 9 + (−6)·e−t/τ → e−t/τ = (6,6 − 9)/(3 − 9) = 0,4
t = τ·ln((3 − 9)/(6,6 − 9)) = 726·ln(2,5) = 665,2 ms

Ответ

t = 665,2 ms

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