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 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​5 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​6 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩR5 = 30 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

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

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 37 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩVA = 37 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩIR2​+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
IR2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR4​12 ΩAR5​4 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 6 VV2 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 ΩIR3​+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

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

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩIR2​R4​ = 15 Ω+−V1​18 VR3​2 ΩAIs​4 AB+−V2​5 V

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

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAIs​0,5 ABRL​25 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 25 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 1,8 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1,7 VR3​ = 2 kΩR4​ = 22 kΩ

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

V1 = 1,8 VV2 = 1,7 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 1,4 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,9 VR3​ = 22 kΩR4​ = 22 kΩ

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 1,4 VV2 = 1,9 VR1 = 22 kΩR2 = 10 kΩR3 = 22 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 ΩL22 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.

Vs = 5 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 4,1 V? Найдите t.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 2 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,512 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​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​2 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 = 2·7/(2+7) = 1,556 Ω
Req = R1 + 1,556 = 8 + 1,556 = 9,556 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/9,556 = 2,512 A

Ответ

IR1 = 2,512 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1102 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​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​6 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 = 30 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 9 Ω
R3 + 9 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 12,35 Ω
Req = R1 + 12,35 = 25 + 12,35 = 37,35 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/37,35 = 0,2677 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,2677·25 = 3,307 V
IR2 = VA/R2 = 3,307/30 = 0,1102 A

Ответ

IR2 = 0,1102 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 17,25 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​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 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/5 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/5 = 0
0,525·VA − 0,2·VB = 0,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/5 = 3
−0,2·VA + 0,2667·VB = 3

Решите

Δ = (0,525)(0,2667) − (−0,2)(−0,2) = 0,1
VA = Δ1/Δ = 0,8/0,1 = 8 V
VB = Δ2/Δ = 1,725/0,1 = 17,25 V

Ответ

VB = 17,25 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 5,844 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
(37 − 36)/30 + 37/30 = (VB − 37)/25
1,267 = (VB − 37)/25 → VB = 68,67 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (68,67 − 37)/25 + 68,67/15 = 5,844 A

Ответ

Is = 5,844 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,4167 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​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​12 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
20·I1 + 12(I1 − I2) = 15
32·I1 − 12·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 + 12(I2 − I1) = (−15)
−12·I1 + 27·I2 = −15

Решите

Δ = (32)(27) − (−12)(−12) = 720
I1 = Δ1/Δ = 225/720 = 0,3125 A
I2 = Δ2/Δ = −300/720 = −0,4167 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,4167 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,05828 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​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR4​12 ΩAR5​4 ΩB+−V2​30 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
4·I1 + 12(I1 − I2) = 6
16·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 12(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 41·I2 − 4·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
15·I3 + 4(I3 − I2) = (−30)
−4·I2 + 19·I3 = −30

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9472
I1 = Δ1/Δ = 3138/9472 = 0,3313 A
I2 = Δ2/Δ = −552/9472 = −0,05828 A
I3 = Δ3/Δ = −15072/9472 = −1,591 A

Ответ

I2 = −0,05828 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = 1,047 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 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​8 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 = 20+8 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·28/(15+28) = 9,767 Ω
VA = 6·9,767/(10+9,767) = 2,965 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,965·8/28 = 0,8471 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2,965 − 0,8471)/20 = 0,1059 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​4 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 26 = 6,118 Ω
VB = Is·Req = (−4)·6,118 = −24,47 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −24,47·6/26 = −5,647 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (−5,647 − −24,47)/20 = 0,9412 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,1059 + 0,9412 = 1,047 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR2 = −2,862 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​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​18 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 ∥ 20 = 1,818 Ω
VA = 18·1,818/(10+1,818) = 2,769 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,769·15/20 = 2,077 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (2,769 − 2,077)/5 = 0,1385 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 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 = 1,667 Ω, поэтому левый путь — R2+1,667 = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ 6,667 = 4,615 Ω
VB = Is·Req = 4·4,615 = 18,46 V
VA = VB·1,667/6,667 = 4,615 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (4,615 − 18,46)/5 = −2,769 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​2 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 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·6,667/21,67 = 1,538 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 1,538·1,667/6,667 = 0,3846 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (0,3846 − 1,538)/5 = −0,2308 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,1385 + (−2,769) + (−0,2308) = −2,862 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 2,077 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​ = 15 ΩКЗR2​6 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 15 = 19,62 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 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) = 9·6/(20+6) = 2,077 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = −0,06169 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​ = 4 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​2 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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 25 = 26,33 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​2 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) = 10 + (−0,5)·1,333 = 9,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,333 + (−0,5)·25 = −3,167 V
Rth​ = 26,33 Ω−+Vth​3,167 VRL​25 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) = −3,167/(26,33 + 25) = −0,06169 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,1 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) = 1,7·22/(2 + 22) = 1,558 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(1,8 − 1,558)/2 = (1,558 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/2)·(1,7 − 1,8) = −1,1 V

Ответ

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

Ответ: Vout = 0,7455 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,9·22/(22 + 22) = 0,95 V

Наложение двух входов

При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.

Vout = −(10/22)·1,4 + (1 + 10/22)·0,95 = −0,6364 + 1,382 = 0,7455 V

Ответ

Vout = 0,7455 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 1,116 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 и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−1/0,6667 = 1,116 V

Ответ

vL = 1,116 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 264,9 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 5 + (2 − 5)·e−t/τ

Выразите время

4,1 = 5 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (4,1 − 5)/(2 − 5) = 0,3
t = τ·ln((2 − 5)/(4,1 − 5)) = 220·ln(3,333) = 264,9 ms

Ответ

t = 264,9 ms

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