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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​5 ΩBR6​2 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

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

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

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩAR5​6 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

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

V1 = 9 VIs = 0,5 AV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR4​5 ΩIR4​AR5​25 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 Ω
IR4 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​4 A

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

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​10 V

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

V1 = 24 VIs = 2,5 AV2 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAIs​5 ABRL​15 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 15 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −0,6 V

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

Vin = −0,6 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 2,4 VR = 10 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 2,4 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.

Vin = 2,4 VR = 10 kΩC = 2,2 µFVsat = ±14 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

Vs = 15 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 VR1​ = 33 ΩR2​ = 22 Ωзамыкается при t = 0L68 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.

Vs = 10 VR1 = 33 ΩR2 = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1701 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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​10 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 = 12 + 10 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 20·22/(20+22) = 10,48 Ω
Req = R1 + 10,48 = 8 + 10,48 = 18,48 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/18,48 = 0,3247 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,3247·8 = 3,402 V
IR2 = VA/R2 = 3,402/20 = 0,1701 A

Ответ

IR2 = 0,1701 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 10,82 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​ = 2 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​5 ΩBR6​2 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 3,333 Ω
R3 + 3,333 = 33,33 Ω
R2 ∥ 33,33 = 8,824 Ω
Req = R1 + 8,824 = 2 + 8,824 = 10,82 Ω

Ответ

Req = 10,82 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 9,231 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 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/12 + (VA − 10)/12 + (VA − VB)/5 = 0
0,3667·VA − 0,2·VB = 0,8333

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/5 = 5
−0,2·VA + 0,7·VB = 5

Решите

Δ = (0,3667)(0,7) − (−0,2)(−0,2) = 0,2167
VA = Δ1/Δ = 1,583/0,2167 = 7,308 V
VB = Δ2/Δ = 2/0,2167 = 9,231 V

Ответ

VB = 9,231 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 17,82 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​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩAR5​6 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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/4 + (VA − 9)/30 + (VA − VB)/25 = 0
0,3233·VA − 0,04·VB = 0,3

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/6 + (VB − VA)/25 + (VB − 30)/3 = (−0,5)
−0,04·VA + 0,54·VB = 9,5

Решите

Δ = (0,3233)(0,54) − (−0,04)(−0,04) = 0,173
VA = Δ1/Δ = 0,542/0,173 = 3,133 V
VB = Δ2/Δ = 3,084/0,173 = 17,82 V

Ответ

VB = 17,82 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,5233 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​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩA+−V2​9 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 + 8(I1 − I2) = 9
23·I1 − 8·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
6·I2 + 8(I2 − I1) = (−9)
−8·I1 + 14·I2 = −9

Решите

Δ = (23)(14) − (−8)(−8) = 258
I1 = Δ1/Δ = 54/258 = 0,2093 A
I2 = Δ2/Δ = −135/258 = −0,5233 A

Ответ

I2 = −0,5233 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR4 = 0,4883 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​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR4​5 ΩAR5​25 ΩB+−V2​15 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 5
15·I1 − 5·I2 = 5

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
25·I2 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 55·I2 − 25·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 + 25(I3 − I2) = (−15)
−25·I2 + 37·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 20225
I1 = Δ1/Δ = 5175/20225 = 0,2559 A
I2 = Δ2/Δ = −4700/20225 = −0,2324 A
I3 = Δ3/Δ = −11375/20225 = −0,5624 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 0,4883 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = −0,8571 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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​5 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+5 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
VA = 15·3,75/(5+3,75) = 6,429 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,429·5/10 = 3,214 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (6,429 − 15)/5 = −1,714 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​6 ΩAR4​5 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7,727 = 3,036 Ω
VB = Is·Req = 4·3,036 = 12,14 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,14·2,727/7,727 = 4,286 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (4,286 − 0)/5 = 0,8571 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−1,714) + 0,8571 = −0,8571 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,6105 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​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​2 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) = 2 ∥ 25 = 1,852 Ω
VA = 24·1,852/(30+1,852) = 1,395 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,395·5/25 = 0,2791 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,395 − 0)/2 = 0,6977 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​2 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 = 1,875 Ω, поэтому левый путь — R2+1,875 = 21,88 Ω
Req = R4 ∥ 21,88 = 4,07 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·4,07 = −10,17 V
VA = VB·1,875/21,88 = −0,8721 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−0,8721 − 0)/2 = −0,436 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​2 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 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·21,88/26,88 = 8,14 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,14·1,875/21,88 = 0,6977 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (0,6977 − 0)/2 = 0,3488 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,6977 + (−0,436) + 0,3488 = 0,6105 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 4,875 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​ = 3 ΩR3​ = 3 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 3 = 4,875 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 50,42 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​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​30 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 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 5 = 15 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAIs​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) = 20 + (−5)·10 = −30 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −30 + (−5)·5 = −55 V
Rth​ = 15 Ω−+Vth​55 VRL​15 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) = −55/(15 + 15) = −1,833 A
PL = IL²·RL = −1,833²·15 = 50,42 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,882 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₊ = −0,6 V
I = V₋/R1 = −0,6/22 = −0,02727 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,6 + (−0,02727)·47 = −1,882 V

Ответ

Vout = −1,882 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: t = 128,3 ms

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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 10 kΩ · 2,2 µF = 22 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −2,4/22 = −0,1091 V/ms

Время до насыщения

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·22/2,4 = 128,3 ms

Ответ

t = 128,3 ms
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 17,42 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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1,5 A

Ток в заданный момент

i(t) = 1,5·(1 − e−5/10) = 0,5902 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·100·0,5902² = 17,42 mJ

Ответ

W = 17,42 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2923 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 10/(33 + 22) = 0,1818 A
i(∞) = 10/33 = 0,303 A
τ = L/R = 68/33 = 2,061 ms
i(t) = 0,303 + (0,1818 − 0,303)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(5) = 0,303 + (−0,1212)·e−5/2,061 = 0,2923 A

Ответ

i = 0,2923 A

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