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 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​6 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBR6​30 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 36 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 3 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAR5​20 ΩBIs​4 A−+V2​6 V

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

V1 = 9 VIs = 4 AV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 ΩR5 = 20 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩIR3​A+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩIR1​R2​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR4​4 ΩAR5​15 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩIR3​AIs​4 AB+−V2​10 V

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

V1 = 6 VIs = 4 AV2 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −3,5 VRa​ = 100 kΩRb​ = 100 kΩ

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

Vin = −3,5 VRa = 100 kΩRb = 100 kΩR1 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 100 kΩRf1​ = 100 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 47 kΩRf2​ = 2 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 = −0,95 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 100 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 47 kΩRf2 = 2 kΩVin = −0,95 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 1000 ms.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 2 Vt = 1000 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,638 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​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​6 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 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
Req = R1 + 3,81 = 15 + 3,81 = 18,81 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/18,81 = 0,638 A

Ответ

IR1 = 0,638 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 11,8 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​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​10 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 = 3 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 7,674 Ω
R3 + 7,674 = 15,67 Ω
R2 ∥ 15,67 = 6,797 Ω
Req = R1 + 6,797 = 5 + 6,797 = 11,8 Ω

Ответ

Req = 11,8 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 28,97 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/15 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,067·VA − 0,5·VB = 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/15 + (VB − VA)/2 = 2
−0,5·VA + 0,5667·VB = 2

Решите

Δ = (1,067)(0,5667) − (−0,5)(−0,5) = 0,3544
VA = Δ1/Δ = 4,4/0,3544 = 12,41 V
VB = Δ2/Δ = 5,133/0,3544 = 14,48 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 = 14,48·2 = 28,97 W

Ответ

PIs = 28,97 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 15,96 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​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAR5​20 ΩBIs​4 A−+V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 V, V2 = −6 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/6 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/25 = 0
0,2733·VA − 0,04·VB = 0,6

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/20 + (VB − VA)/25 + (VB − (−6))/8 = 4
−0,04·VA + 0,215·VB = 3,25

Решите

Δ = (0,2733)(0,215) − (−0,04)(−0,04) = 0,05717
VA = Δ1/Δ = 0,259/0,05717 = 4,531 V
VB = Δ2/Δ = 0,9123/0,05717 = 15,96 V

Ответ

VB = 15,96 V
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 1,157 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​ = 15 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩA+−V2​10 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
15·I1 + 6(I1 − I2) = 9
21·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 6(I2 − I1) = (−10)
−6·I1 + 9·I2 = −10

Решите

Δ = (21)(9) − (−6)(−6) = 153
I1 = Δ1/Δ = 21/153 = 0,1373 A
I2 = Δ2/Δ = −156/153 = −1,02 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 1,157 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 2,423 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​ = 30 Ω+−V1​15 VR4​4 ΩAR5​15 ΩB+−V2​36 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 + 4(I1 − I2) = 15
6·I1 − 4·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 4(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 25·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) = (−36)
−15·I2 + 45·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4680
I1 = Δ1/Δ = 11340/4680 = 2,423 A
I2 = Δ2/Δ = −540/4680 = −0,1154 A
I3 = Δ3/Δ = −3924/4680 = −0,8385 A

Ответ

IR1 = I1 = 2,423 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 0,2507 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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​2 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 = 20+20 = 40 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·40/(2+40) = 1,905 Ω
VA = 9·1,905/(15+1,905) = 1,014 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,014·20/40 = 0,507 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 1,014)/15 = 0,5324 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​5 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 21,76 = 10,42 Ω
VB = Is·Req = 5·10,42 = 52,11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 52,11·1,765/21,76 = 4,225 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4,225)/15 = −0,2817 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,5324 + (−0,2817) = 0,2507 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 1,099 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​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​6 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 ∥ 19 = 3,958 Ω
VA = 6·3,958/(25+3,958) = 0,8201 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,8201·4/19 = 0,1727 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (0,8201 − 0)/5 = 0,164 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​5 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 = 4,167 Ω, поэтому левый путь — R2+4,167 = 19,17 Ω
Req = R4 ∥ 19,17 = 3,309 Ω
VB = Is·Req = 4·3,309 = 13,24 V
VA = VB·4,167/19,17 = 2,878 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (2,878 − 0)/5 = 0,5755 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·19,17/23,17 = 8,273 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,273·4,167/19,17 = 1,799 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,799 − 0)/5 = 0,3597 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,164 + 0,5755 + 0,3597 = 1,099 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 7,059 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​ = 12 ΩR3​ = 12 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 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 12 = 15,53 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​5 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) = 24·5/(12+5) = 7,059 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = −0,03846 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​ = 6 ΩR3​ = 6 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​1 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) = 9,375 + (−1)·3,75 = 5,625 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,625 + (−1)·6 = −0,375 V
IN​0,03846 ARth​9,75 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 = −0,375/9,75 = −0,03846 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −5,473 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) = −3,5·100/(100 + 100) = −1,75 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −1,75·(1 + 10/4,7) = −5,473 V

Ответ

Vout = −5,473 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,9904 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 = −100/100 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/47 = 1,043

Каскад за каскадом

V1 = −1·(−0,95) = 0,95 V
Vout = 1,043·0,95 = 0,9904 V

Ответ

Vout = 0,9904 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,18 mJ

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 / 47 Ω = 0,2128 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,1915·(1 − e−1/0,2128) = 0,1897 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·10·0,1897² = 0,18 mJ

Ответ

W = 0,18 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 8,113 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.

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 = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 9 + (2 − 9)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(1000) = 9 + (−7)·e−1000/484 = 8,113 V

Ответ

vC = 8,113 V

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