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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​2 ΩBR6​4 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 ΩR5 = 3 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 10 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​5 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​4 A+−V2​18 V

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

V1 = 5 VIs = 4 AV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 ΩR5 = 8 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​10 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 25 ΩR5 = 10 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
линейная цепьVs​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 2 V и Is = 10 mA I = 6,4 mA; при Vs = 4 V и Is = 1 mA I = 1,4 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 6 V и Is = 3 mA.

2 V, 10 mA → 6,4 mA4 V, 1 mA → 1,4 mAVs = 6 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​?

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

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 21.

R1 = 47 kΩAv = 21
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 0,6 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,6 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 47 kΩ

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

V1 = 0,6 VV2 = 1,6 VR1 = 47 kΩR2 = 47 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 47 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 2,2 kΩC33 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.

Vs = 9 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µFt = 100 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C2,2 µF+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4 V, ровно через 500 ms после старта. При C = 2,2 µF найдите необходимое сопротивление R.

Vs = 5 VVth = 4 VT = 500 msC = 2,2 µF
R = kΩ

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,7105 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​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​2 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 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 5·22/(5+22) = 4,074 Ω
Req = R1 + 4,074 = 10 + 4,074 = 14,07 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/14,07 = 0,7105 A

Ответ

IR1 = 0,7105 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,165 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 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​2 ΩBR6​4 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 + 4 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 1,556 Ω
R3 + 1,556 = 7,556 Ω
R2 ∥ 7,556 = 4,304 Ω
Req = R1 + 4,304 = 6 + 4,304 = 10,3 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/10,3 = 1,165 A

Ответ

IR1 = 1,165 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = 0,715 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​1,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/20 + (VA − 12)/15 + (VA − VB)/12 = 0
0,2·VA − 0,08333·VB = 0,8

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/12 = (−1,5)
−0,08333·VA + 0,1833·VB = −1,5

Решите

Δ = (0,2)(0,1833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,02972
VA = Δ1/Δ = 0,02167/0,02972 = 0,729 V
VB = Δ2/Δ = −0,2333/0,02972 = −7,85 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (0,729 − −7,85)/12 = 0,715 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,0866 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​ = 10 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​5 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​4 A+−V2​18 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 5 V, V2 = 18 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/3 + (VA − 5)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0,6·VA − 0,1·VB = 0,8333

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/8 + (VB − VA)/10 + (VB − 18)/2 = 4
−0,1·VA + 0,725·VB = 13

Решите

Δ = (0,6)(0,725) − (−0,1)(−0,1) = 0,425
VA = Δ1/Δ = 1,904/0,425 = 4,48 V
VB = Δ2/Δ = 7,883/0,425 = 18,55 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 4,48)/6 = 0,0866 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,6667 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​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​10 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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 10
13·I1 − 10·I2 = 10

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 + 10(I2 − I1) = (−10)
−10·I1 + 25·I2 = −10

Решите

Δ = (13)(25) − (−10)(−10) = 225
I1 = Δ1/Δ = 150/225 = 0,6667 A
I2 = Δ2/Δ = −30/225 = −0,1333 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,6667 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,7709 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​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​10 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
6·I1 + 25(I1 − I2) = 18
31·I1 − 25·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
5·I2 + 25(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 40·I2 − 10·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
12·I3 + 10(I3 − I2) = (−6)
−10·I2 + 22·I3 = −6

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10430
I1 = Δ1/Δ = 12540/10430 = 1,202 A
I2 = Δ2/Δ = 8040/10430 = 0,7709 A
I3 = Δ3/Δ = 810/10430 = 0,07766 A

Ответ

I2 = 0,7709 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 3 mA

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.

Записываем отклик как сумму вкладов

Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.

I = k₁·Vs + k₂·Is
2·k₁ + 10·k₂ = 6,4
4·k₁ + 1·k₂ = 1,4

Находим константы

Δ = (2)(1) − (10)(4) = −38
k₁ = Δ1/Δ = −7,6/−38 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = −22,8/−38 = 0,6
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,6

Предсказываем новый ток

I = 0,2·6 + 0,6·3 = 3 mA

Ответ

I = 3 mA
8.Метод наложения

Ответ: V2 = 1 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​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​9 VR3​12 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) = 12 ∥ 10 = 5,455 Ω
VA = 9·5,455/(30+5,455) = 1,385 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,385·2/10 = 0,2769 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​12 ΩAIs​2 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 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 16,57 Ω
Req = R4 ∥ 16,57 = 1,785 Ω
VB = −Is·Req = −2·1,785 = −3,569 V
VA = VB·8,571/16,57 = −1,846 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 = 8,571 Ω
VA‴ = V2·8,571/(2 + 8 + 8,571) = 0,4615·V2

Приравниваем VA к нулю

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,385 + (−1,846) + 0,4615·V2 = 0
V2 = 0,4615/0,4615 = 1 V

Ответ

V2 = 1 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,45 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​ = 4 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 + 4 = 8 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 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) = 18·5/(20+5) = 3,6 V
IN​0,45 ARth​8 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 = 3,6/8 = 0,45 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 1,763 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​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​15 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 15 = 16,76 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩAIs​1,5 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) = 4,412 + 1,5·1,765 = 7,059 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,059 + 1,5·15 = 29,56 V
IN​1,763 ARth​16,76 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 = 29,56/16,76 = 1,763 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 940 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 = (21 − 1)·47 = 940 kΩ

Ответ

Rf = 940 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 2,309 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) = 1,6·47/(4,7 + 47) = 1,455 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 = −(47/47)·0,6 + (1 + 47/47)·1,455 = −0,6 + 2,909 = 2,309 V

Ответ

Vout = 2,309 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 3,238 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·2,2/(3,3 + 2,2) = 1,32 kΩ
vC(∞) = 9·2,2/(3,3 + 2,2) = 3,6 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,32·33 = 43,56 ms

Кривая заряда

vC(t) = 3,6·(1 − e−100/43,56) = 3,238 V

Ответ

vC = 3,238 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 141,2 kΩ

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

4 = 5·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(5/(5 − 4))
τ = 500/1,609 = 310,7 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 310,7/2,2 = 141,2 kΩ

Ответ

R = 141,2 kΩ

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