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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩIR2​AR4​3 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​30 ΩBR6​25 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩAR5​4 ΩBIs​1,5 A+−V2​12 V

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 ΩR5 = 4 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).

V1 = 12 VV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​20 ΩAR5​5 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 5 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 Ω−+VR2​AR4​12 ΩBIs​4 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 Ω−+VR2​R4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​30 ΩAIs​2,5 AB−+V2​15 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 12 VIs = 2,5 AV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩARL​8 ΩIL​B

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

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​3 ABRL​20 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩRL = 20 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −2 V

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

Vin = −2 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 1,7 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1,8 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 100 kΩ

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

V1 = 1,7 VV2 = 1,8 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 15 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 5 ms.

Vs = 24 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 47 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 6 V, ровно через 100 ms после старта. При R = 47 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 12 VVth = 6 VT = 100 msR = 47 kΩ
C = µF

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,5217 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​10 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Req = R1 + 3,333 = 12 + 3,333 = 15,33 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/15,33 = 1,565 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,565·12 = 5,217 V
IR2 = VA/R2 = 5,217/10 = 0,5217 A

Ответ

IR2 = 0,5217 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 7,724 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​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​30 ΩBR6​25 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 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 14,21 Ω
R3 + 14,21 = 22,21 Ω
R2 ∥ 22,21 = 4,724 Ω
Req = R1 + 4,724 = 3 + 4,724 = 7,724 Ω

Ответ

Req = 7,724 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 18,75 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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBIs​2,5 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/2 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/8 = 0
1,125·VA − 0,125·VB = 7,5

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)/8 = 2,5
−0,125·VA + 0,1917·VB = 2,5

Решите

Δ = (1,125)(0,1917) − (−0,125)(−0,125) = 0,2
VA = Δ1/Δ = 1,75/0,2 = 8,75 V
VB = Δ2/Δ = 3,75/0,2 = 18,75 V

Ответ

VB = 18,75 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = −0,12 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​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩAR5​4 ΩBIs​1,5 A+−V2​12 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = 12 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/20 + (VA − 6)/6 + (VA − VB)/3 = 0
0,55·VA − 0,3333·VB = 1

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/4 + (VB − VA)/3 + (VB − 12)/4 = 1,5
−0,3333·VA + 0,8333·VB = 4,5

Решите

Δ = (0,55)(0,8333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3472
VA = Δ1/Δ = 2,333/0,3472 = 6,72 V
VB = Δ2/Δ = 2,808/0,3472 = 8,088 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 6,72)/6 = −0,12 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,5714 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​3 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 12
18·I1 − 3·I2 = 12

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 + 3(I2 − I1) = (−12)
−3·I1 + 18·I2 = −12

Решите

Δ = (18)(18) − (−3)(−3) = 315
I1 = Δ1/Δ = 180/315 = 0,5714 A
I2 = Δ2/Δ = −180/315 = −0,5714 A

Ответ

I1 = 0,5714 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,1511 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​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​20 ΩAR5​5 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
30·I1 + 20(I1 − I2) = 18
50·I1 − 20·I2 = 18

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
3·I2 + 20(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 28·I2 − 5·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 + 5(I3 − I2) = (−30)
−5·I2 + 35·I3 = −30

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 33750
I1 = Δ1/Δ = 14190/33750 = 0,4204 A
I2 = Δ2/Δ = 5100/33750 = 0,1511 A
I3 = Δ3/Δ = −28200/33750 = −0,8356 A

Ответ

I2 = 0,1511 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = −11,72 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​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​12 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 = 4+12 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·16/(3+16) = 2,526 Ω
VA = 15·2,526/(2+2,526) = 8,372 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,372·12/16 = 6,279 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 8,372 = −8,372 V
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​3 ΩAR4​12 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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 5,2 = 3,628 Ω
VB = Is·Req = 4·3,628 = 14,51 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 14,51·1,2/5,2 = 3,349 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 3,349 = −3,349 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−8,372) + (−3,349) = −11,72 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −22,46 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​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​30 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) = 30 ∥ 25 = 13,64 Ω
VA = 12·13,64/(10+13,64) = 6,923 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,923·5/25 = 1,385 V
VR2′ = VB − VA = 1,385 − 6,923 = −5,538 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​30 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 = 7,5 Ω, поэтому левый путь — R2+7,5 = 27,5 Ω
Req = R4 ∥ 27,5 = 4,231 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·4,231 = −10,58 V
VA = VB·7,5/27,5 = −2,885 V
VR2″ = VB − VA = −10,58 − −2,885 = −7,692 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​30 ΩAОБРЫВB−+V2​15 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·27,5/32,5 = −12,69 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −12,69·7,5/27,5 = −3,462 V
VR2‴ = VB − VA = −12,69 − −3,462 = −9,231 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−5,538) + (−7,692) + (−9,231) = −22,46 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,1778 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​ = 15 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 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/(20+5) = 4,8 V
Rth​ = 19 Ω+−Vth​4,8 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) = 4,8/(19 + 8) = 0,1778 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 35,21 W

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​ = 12 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 12 = 14,67 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​3 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) = 2 + 3·2,667 = 10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10 + 3·12 = 46 V
Rth​ = 14,67 Ω+−Vth​46 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) = 46/(14,67 + 20) = 1,327 A
PL = IL²·RL = 1,327²·20 = 35,21 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −6 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.

Инвертирующий вход повторяет вход

V₋ = V₊ = −2 V
I = V₋/R1 = −2/1 = −2 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −2 + (−2)·2 = −6 V

Ответ

Vout = −6 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,815 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) = 1,8·100/(4,7 + 100) = 1,719 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 = −(10/2)·1,7 + (1 + 10/2)·1,719 = −8,5 + 10,32 = 1,815 V

Ответ

Vout = 1,815 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 4,866 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 = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms
i(∞) = Vs/R = 24/15 = 1,6 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 = 24·e−5/3,133 = 4,866 V

Ответ

vL = 4,866 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 3,07 µF

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.

Требуемая постоянная времени

6 = 12·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(12/(12 − 6))
τ = 100/0,6931 = 144,3 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 144,3/47 = 3,07 µF

Ответ

C = 3,07 µF

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