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​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​30 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 4 VIs​2 AAR1​10 ΩR2​8 ΩB

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 VA (относительно земли).

Is = 2 AVs = 4 VR1 = 10 ΩR2 = 8 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 2 ΩIR4​+−V1​5 VR3​8 ΩAR5​3 ΩBIs​0,5 A−+V2​30 V

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

V1 = 5 VIs = 0,5 AV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 ΩR5 = 3 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 Ω+−VR1​R2​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
VR1 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR4​10 Ω+−VR4​AR5​15 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 15 Ω
VR4 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​8 ΩBIs​3 A

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

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩIR3​AIs​5 AB+−V2​?

Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABab

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

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 2,5 VR1​ = 47 kΩV2​ = 2,8 VR3​ = 47 kΩR4​ = 100 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 = 2,5 VV2 = 2,8 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 100 kΩ
V− = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 2 kΩRf1​ = 2 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 100 kΩRf2​ = 47 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 = −0,55 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 2 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 47 kΩVin = −0,55 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R = 100 ΩL10 mHi(t)

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

Vs = 6 VR = 100 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 3,3 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 8,2 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 4 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,8571 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​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​4 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 6 + 3,333 = 9,333 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/9,333 = 1,286 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 1,286·6 = 4,286 V
IR2 = VA/R2 = 4,286/5 = 0,8571 A

Ответ

IR2 = 0,8571 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 13,76 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​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​30 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 = 15 + 30 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 9,474 Ω
R3 + 9,474 = 14,47 Ω
R2 ∥ 14,47 = 9,763 Ω
Req = R1 + 9,763 = 4 + 9,763 = 13,76 Ω

Ответ

Req = 13,76 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 6,667 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 + Vs = VA + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/10 + (VA + 4)/8 = 2
VA = (2 − 4/8)/(1/10 + 1/8) = 6,667 V
VB = 6,667 + 4 = 10,67 V

Ответ

VA = 6,667 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 7,014 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​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​5 VR3​8 ΩAR5​3 ΩBIs​0,5 A−+V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 5 V, V2 = −30 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/8 + (VA − 5)/30 + (VA − VB)/8 = 0
0,2833·VA − 0,125·VB = 0,1667

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/3 + (VB − VA)/8 + (VB − (−30))/2 = 0,5
−0,125·VA + 0,9583·VB = −14,5

Решите

Δ = (0,2833)(0,9583) − (−0,125)(−0,125) = 0,2559
VA = Δ1/Δ = −1,653/0,2559 = −6,459 V
VB = Δ2/Δ = −4,088/0,2559 = −15,97 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (−15,97 − −30)/2 = 7,014 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = −0,5625 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​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​24 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
4·I1 + 5(I1 − I2) = 6
9·I1 − 5·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
12·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 17·I2 = −24

Решите

Δ = (9)(17) − (−5)(−5) = 128
I1 = Δ1/Δ = −18/128 = −0,1406 A
I2 = Δ2/Δ = −186/128 = −1,453 A

Ответ

IR1 = I1 = −0,1406 A
VR1 = IR1·R1 = −0,1406·4 = −0,5625 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR4 = 7,805 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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR4​10 ΩAR5​15 ΩB+−V2​24 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) = 9
12·I1 − 10·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 10(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 30·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−24)
−15·I2 + 35·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6400
I1 = Δ1/Δ = 3825/6400 = 0,5977 A
I2 = Δ2/Δ = −1170/6400 = −0,1828 A
I3 = Δ3/Δ = −4890/6400 = −0,7641 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 0,7805 A
VR4 = IR4·R4 = 0,7805·10 = 7,805 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = −0,9857 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​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​10 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 = 2+8 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·10/(10+10) = 5 Ω
VA = 15·5/(2+5) = 10,71 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,71·8/10 = 8,571 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (10,71 − 8,571)/2 = 1,071 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​10 ΩAR4​8 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 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 3,667 = 2,514 Ω
VB = Is·Req = 3·2,514 = 7,543 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,543·1,667/3,667 = 3,429 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (3,429 − 7,543)/2 = −2,057 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 1,071 + (−2,057) = −0,9857 A

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

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 21,67 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​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 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 ∥ 31 = 4,306 Ω
VA = 10·4,306/(3+4,306) = 5,894 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,894·25/31 = 4,753 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​5 ΩAIs​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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R3 = 1,875 Ω, поэтому левый путь — R2+1,875 = 7,875 Ω
Req = R4 ∥ 7,875 = 5,989 Ω
VB = −Is·Req = −5·5,989 = −29,94 V
VA = VB·1,875/7,875 = −7,129 V

Случай 3 · действует только V2, на один вольт

V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.

R1 ∥ R3 = 1,875 Ω
VA‴ = V2·1,875/(25 + 6 + 1,875) = 0,05703·V2

Приравниваем VA к нулю

При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 5,894 + (−7,129) + 0,05703·V2 = 0
V2 = 1,236/0,05703 = 21,67 V

Ответ

V2 = 21,67 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 13,5 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​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​12 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 6 = 13,5 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,8409 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​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​10 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​10 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) = 5 + 0,5·6,667 = 8,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,333 + 0,5·8 = 12,33 V
IN​0,8409 ARth​14,67 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 = 12,33/14,67 = 0,8409 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = 1,905 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) = 2,8·100/(47 + 100) = 1,905 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = 1,905 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,8085 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 = −2/2 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/100 = 1,47

Каскад за каскадом

V1 = −1·(−0,55) = 0,55 V
Vout = 1,47·0,55 = 0,8085 V

Ответ

Vout = 0,8085 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 0,0002724 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 = 10 mH / 100 Ω = 0,1 ms
i(∞) = Vs/R = 6/100 = 0,06 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 = 6·e−1/0,1 = 0,0002724 V

Ответ

vL = 0,0002724 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 270,2 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 10 + (4 − 10)·e−t/τ

Выразите время

8,2 = 10 + (−6)·e−t/τ → e−t/τ = (8,2 − 10)/(4 − 10) = 0,3
t = τ·ln((4 − 10)/(8,2 − 10)) = 224,4·ln(3,333) = 270,2 ms

Ответ

t = 270,2 ms

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