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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​8 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​6 ΩBIs​2,5 A−+V2​15 V

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

V1 = 24 VIs = 2,5 AV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 ΩR5 = 6 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩIR1​R2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 36 VV2 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 ΩR5 = 20 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 VR3​5 ΩIR3​AIs​2,5 AB−+V2​10 V

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

V1 = 18 VIs = 2,5 AV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​4 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 2,3 VR1​ = 47 kΩV2​ = −0,9 VR3​ = 47 kΩR4​ = 10 kΩ

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

V1 = 2,3 VV2 = −0,9 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = −2,3 VR = 47 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 = −2,3 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.

Vin = −2,3 VR = 47 kΩC = 0,1 µFVsat = ±14 Vt = 20 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 100 Ωt = 0L150 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 1,5 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 = 2 ms.

i(0) = 1,5 AR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 6,8 kΩC22 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 11,6 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 18 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,5305 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​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​3 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
Req = R1 + 6,964 = 10 + 6,964 = 16,96 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/16,96 = 0,5305 A

Ответ

IR1 = 0,5305 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,398 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​ = 5 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​8 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6 Ω
R3 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3,882 Ω
Req = R1 + 3,882 = 10 + 3,882 = 13,88 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/13,88 = 2,161 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,161·10 = 8,39 V
IR2 = VA/R2 = 8,39/6 = 1,398 A

Ответ

IR2 = 1,398 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,8056 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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​4 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/12 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,3833·VA − 0,05·VB = 3,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/20 = 4
−0,05·VA + 0,3·VB = 4

Решите

Δ = (0,3833)(0,3) − (−0,05)(−0,05) = 0,1125
VA = Δ1/Δ = 1,325/0,1125 = 11,78 V
VB = Δ2/Δ = 1,721/0,1125 = 15,3 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 11,78)/4 = 0,8056 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 0,2722 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​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​6 ΩBIs​2,5 A−+V2​15 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 V, V2 = −15 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/30 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,1333·VA − 0,05·VB = 1,2

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/6 + (VB − VA)/20 + (VB − (−15))/12 = (−2,5)
−0,05·VA + 0,3·VB = −3,75

Решите

Δ = (0,1333)(0,3) − (−0,05)(−0,05) = 0,0375
VA = Δ1/Δ = 0,1725/0,0375 = 4,6 V
VB = Δ2/Δ = −0,44/0,0375 = −11,73 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (−11,73 − −15)/12 = 0,2722 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 1,06 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​ = 5 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​12 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
5·I1 + 8(I1 − I2) = 15
13·I1 − 8·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
15·I2 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 23·I2 = −12

Решите

Δ = (13)(23) − (−8)(−8) = 235
I1 = Δ1/Δ = 249/235 = 1,06 A
I2 = Δ2/Δ = −36/235 = −0,1532 A

Ответ

IR1 = I1 = 1,06 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = 0,3593 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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩAR5​20 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
2·I1 + 30(I1 − I2) = 36
32·I1 − 30·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
6·I2 + 30(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 56·I2 − 20·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
20·I3 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 40·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 22880
I1 = Δ1/Δ = 57240/22880 = 2,502 A
I2 = Δ2/Δ = 33600/22880 = 1,469 A
I3 = Δ3/Δ = 8220/22880 = 0,3593 A

Ответ

I3 = 0,3593 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 0,7119 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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​6 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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·28/(6+28) = 4,941 Ω
VA = 12·4,941/(2+4,941) = 8,542 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,542·20/28 = 6,102 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 8,542)/2 = 1,729 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​2 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9,5 = 6,441 Ω
VB = Is·Req = 2·6,441 = 12,88 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,88·1,5/9,5 = 2,034 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,034)/2 = −1,017 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,729 + (−1,017) = 0,7119 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 2,108 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​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 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 ∥ 40 = 4,444 Ω
VA = 18·4,444/(10+4,444) = 5,538 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,538·30/40 = 4,154 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (5,538 − 0)/5 = 1,108 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​5 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 = 3,333 Ω, поэтому левый путь — R2+3,333 = 13,33 Ω
Req = R4 ∥ 13,33 = 9,231 Ω
VB = Is·Req = 2,5·9,231 = 23,08 V
VA = VB·3,333/13,33 = 5,769 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (5,769 − 0)/5 = 1,154 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB−+V2​10 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·13,33/43,33 = −3,077 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −3,077·3,333/13,33 = −0,7692 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−0,7692 − 0)/5 = −0,1538 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 1,108 + 1,154 + (−0,1538) = 2,108 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 23,75 Ω

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​ = 15 ΩR3​ = 20 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 20 = 23,75 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 33,89 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​ = 15 ΩR3​ = 5 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 5 = 8,158 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​4 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) = 1,263 + 4·3,158 = 13,89 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,89 + 4·5 = 33,89 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,6809 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) = −0,9·10/(47 + 10) = −0,1579 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(2,3 − −0,1579)/47 = (−0,1579 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/47)·(−0,9 − 2,3) = −0,6809 V

Ответ

Vout = −0,6809 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 9,787 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 = 47 kΩ · 0,1 µF = 4,7 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−2,3)/4,7 = 0,4894 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,3)·20/4,7 = 9,787 V

Ответ

Vout = 9,787 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 39,54 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 = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms

Убывание тока

i(t) = 1,5·e−2/1,5 = 0,3954 A
vR = R·i = 100·0,3954 = 39,54 V

Ответ

vR = 39,54 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 240,8 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 = 10 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 22 µF = 149,6 ms
vC(t) = 10 + (18 − 10)·e−t/τ

Выразите время

11,6 = 10 + (8)·e−t/τ → e−t/τ = (11,6 − 10)/(18 − 10) = 0,2
t = τ·ln((18 − 10)/(11,6 − 10)) = 149,6·ln(5) = 240,8 ms

Ответ

t = 240,8 ms

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