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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩIR2​AR4​3 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩR5 = 25 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 20,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 ΩVA = 20,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩIR3​+−V1​24 VR4​5 ΩAR5​15 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 Ω
IR3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩIR2​AR4​20 ΩBIs​3 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR2, потребляемую R2.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
PR2 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​10 VR3​8 ΩAIs​6 AB+−V2​36 V

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

V1 = 10 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩARL​8 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​6 ABRL​20 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩRL = 20 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 20.

R1 = 2 kΩAv = 20
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,5 VR1​ = 10 kΩV2​ = −1,1 VR2​ = 4,7 kΩIf​

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.

V1 = −1,5 VV2 = −1,1 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 100 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 100 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 21,6 V? Найдите t.

Vs = 24 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,8195 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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​2 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 = 20 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 2·23/(2+23) = 1,84 Ω
Req = R1 + 1,84 = 15 + 1,84 = 16,84 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/16,84 = 0,8907 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,8907·15 = 1,639 V
IR2 = VA/R2 = 1,639/2 = 0,8195 A

Ответ

IR2 = 0,8195 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,2533 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​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​20 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 14,67 Ω
R3 + 14,67 = 20,67 Ω
R2 ∥ 20,67 = 8,692 Ω
Req = R1 + 8,692 = 15 + 8,692 = 23,69 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/23,69 = 0,2533 A

Ответ

IR1 = 0,2533 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 37,67 W

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

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,6333·VA − 0,1·VB = 3,6

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)/10 = 3
−0,1·VA + 0,3·VB = 3

Решите

Δ = (0,6333)(0,3) − (−0,1)(−0,1) = 0,18
VA = Δ1/Δ = 1,38/0,18 = 7,667 V
VB = Δ2/Δ = 2,26/0,18 = 12,56 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 12,56·3 = 37,67 W

Ответ

PIs = 37,67 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 5,468 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
(20,5 − 18)/4 + 20,5/10 = (VB − 20,5)/8
2,675 = (VB − 20,5)/8 → VB = 41,9 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (41,9 − 20,5)/8 + 41,9/15 = 5,468 A

Ответ

Is = 5,468 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,8654 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​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 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
3·I1 + 12(I1 − I2) = 30
15·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 12(I2 − I1) = (−15)
−12·I1 + 20·I2 = −15

Решите

Δ = (15)(20) − (−12)(−12) = 156
I1 = Δ1/Δ = 420/156 = 2,692 A
I2 = Δ2/Δ = 135/156 = 0,8654 A

Ответ

I2 = 0,8654 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 0,05766 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​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR4​5 ΩAR5​15 ΩB+−V2​6 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 + 5(I1 − I2) = 24
7·I1 − 5·I2 = 24

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
15·I2 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 35·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
30·I3 + 15(I3 − I2) = (−6)
−15·I2 + 45·I3 = −6

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8325
I1 = Δ1/Δ = 31950/8325 = 3,838 A
I2 = Δ2/Δ = 4770/8325 = 0,573 A
I3 = Δ3/Δ = 480/8325 = 0,05766 A

Ответ

IR3 = I3 = 0,05766 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR2 = 21,94 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​4 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 = 5+20 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
VA = 10·3,448/(2+3,448) = 6,329 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,329·20/25 = 5,063 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (6,329 − 0)/4 = 1,582 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​4 ΩAR4​20 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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 6,333 = 4,81 Ω
VB = Is·Req = 3·4,81 = 14,43 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14,43·1,333/6,333 = 3,038 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,038 − 0)/4 = 0,7595 A

Складываем вклады токов

IR2 = IR2′ + IR2″ = 1,582 + 0,7595 = 2,342 A

Мощность в резисторе

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

PR2 = IR2²·R2 = 2,342²·4 = 21,94 W

Ответ

PR2 = 21,94 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 12,32 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = 1,433 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​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​8 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) = 8 ∥ 21 = 5,793 Ω
VA = 10·5,793/(25+5,793) = 1,881 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,881·15/21 = 1,344 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,344 − 0)/15 = 0,08959 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​8 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 = 6,061 Ω, поэтому левый путь — R2+6,061 = 12,06 Ω
Req = R4 ∥ 12,06 = 6,685 Ω
VB = Is·Req = 6·6,685 = 40,11 V
VA = VB·6,061/12,06 = 20,16 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (40,11 − 0)/15 = 2,674 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​8 ΩAОБРЫВB+−V2​36 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 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·12,06/27,06 = 16,04 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,04·6,061/12,06 = 8,063 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (16,04 − 36)/15 = −1,33 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,08959 + 2,674 + (−1,33) = 1,433 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,6067 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​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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 5 = 9,8 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​12 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) = 18·12/(8+12) = 10,8 V
Rth​ = 9,8 Ω+−Vth​10,8 VRL​8 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) = 10,8/(9,8 + 8) = 0,6067 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 2,951 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​ = 30 ΩR3​ = 12 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 12 = 18,32 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 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) = 3,158 + 6·6,316 = 41,05 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 41,05 + 6·12 = 113,1 V
Rth​ = 18,32 Ω+−Vth​113,1 VRL​20 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) = 113,1/(18,32 + 20) = 2,951 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 38 kΩ

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 неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (20 − 1)·2 = 38 kΩ

Ответ

Rf = 38 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = −0,384 mA

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.

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I1 = V1/R1 = −1,5/10 = −0,15 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/4,7 = −0,234 mA
If = I1 + I2 = −0,384 mA

Ответ

If = −0,384 mA
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,09 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 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 = 9/100 = 0,09 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,09·(1 − e−1/0,1) = 0,09 A

Ответ

i = 0,09 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1094 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 24 + (12 − 24)·e−t/τ

Выразите время

21,6 = 24 + (−12)·e−t/τ → e−t/τ = (21,6 − 24)/(12 − 24) = 0,2
t = τ·ln((12 − 24)/(21,6 − 24)) = 680·ln(5) = 1094 ms

Ответ

t = 1094 ms

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