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​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​3 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 ΩR4 = 2 ΩR5 = 30 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 9 VIx​Is​2 AAR1​12 ΩR2​4 ΩB

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.

Is = 2 AVs = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 4 Ω
Ix = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​30 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 17,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩVA = 17,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​6 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩIR2​AR4​15 ΩBIs​2 A

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 Ω−+VR2​R4​ = 8 Ω+−V1​36 VR3​8 ΩAIs​0,5 AB+−V2​5 V

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

V1 = 36 VIs = 0,5 AV2 = 5 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​4 ABRL​6 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩRL = 6 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −4,5 VRa​ = 47 kΩRb​ = 4,7 kΩ

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

Vin = −4,5 VRa = 47 kΩRb = 4,7 kΩR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = −0,9 VR1​ = 47 kΩV2​ = −0,6 VR2​ = 22 kΩ

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = −0,9 VV2 = −0,6 VR1 = 47 kΩR2 = 22 kΩRf = 100 kΩ
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. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 90% конечного значения? Найдите t.

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vразмыкается при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 1 kΩC68 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 20 ms.

Vs = 12 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µFt = 20 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 27,89 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​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 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 = 12·23/(12+23) = 7,886 Ω
Req = R1 + 7,886 = 20 + 7,886 = 27,89 Ω

Ответ

Req = 27,89 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,2027 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​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​2 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 = 30 + 2 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 1,882 Ω
R3 + 1,882 = 31,88 Ω
R2 ∥ 31,88 = 12,29 Ω
Req = R1 + 12,29 = 15 + 12,29 = 27,29 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/27,29 = 0,3298 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,3298·15 = 4,053 V
IR2 = VA/R2 = 4,053/20 = 0,2027 A

Ответ

IR2 = 0,2027 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: Ix = 2,063 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/12 + (VA + 9)/4 = 2
VA = (2 − 9/4)/(1/12 + 1/4) = −0,75 V
VB = −0,75 + 9 = 8,25 V

Ток через источник напряжения

Всё, что проходит через источник от A к B, уходит из узла B через R₂.

Ix = VB/R2 = 8,25/4 = 2,063 A

Ответ

Ix = 2,063 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 1,801 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
(17,5 − 18)/20 + 17,5/15 = (VB − 17,5)/2
1,142 = (VB − 17,5)/2 → VB = 19,78 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (19,78 − 17,5)/2 + 19,78/30 = 1,801 A

Ответ

Is = 1,801 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,1429 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​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​6 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 12
9·I1 − 6·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
5·I2 + 6(I2 − I1) = (−9)
−6·I1 + 11·I2 = −9

Решите

Δ = (9)(11) − (−6)(−6) = 63
I1 = Δ1/Δ = 78/63 = 1,238 A
I2 = Δ2/Δ = −9/63 = −0,1429 A

Ответ

I2 = −0,1429 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,6106 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​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​6 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
8·I1 + 6(I1 − I2) = 10
14·I1 − 6·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 6(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 14·I2 − 6·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
8·I3 + 6(I3 − I2) = (−15)
−6·I2 + 14·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1736
I1 = Δ1/Δ = 1060/1736 = 0,6106 A
I2 = Δ2/Δ = −420/1736 = −0,2419 A
I3 = Δ3/Δ = −2040/1736 = −1,175 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,6106 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = 3,074 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​15 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 = 8+15 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·23/(5+23) = 4,107 Ω
VA = 30·4,107/(6+4,107) = 12,19 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12,19·15/23 = 7,951 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (12,19 − 0)/5 = 2,438 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​2 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 10,73 = 6,254 Ω
VB = Is·Req = 2·6,254 = 12,51 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,51·2,727/10,73 = 3,18 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,18 − 0)/5 = 0,636 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 2,438 + 0,636 = 3,074 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −1,723 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​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​36 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 ∥ 10 = 4,444 Ω
VA = 36·4,444/(6+4,444) = 15,32 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 15,32·8/10 = 12,26 V
VR2′ = VB − VA = 12,26 − 15,32 = −3,064 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​8 ΩAIs​0,5 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 = 3,429 Ω, поэтому левый путь — R2+3,429 = 5,429 Ω
Req = R4 ∥ 5,429 = 3,234 Ω
VB = Is·Req = 0,5·3,234 = 1,617 V
VA = VB·3,429/5,429 = 1,021 V
VR2″ = VB − VA = 1,617 − 1,021 = 0,5957 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​8 ΩAОБРЫВB+−V2​5 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·5,429/13,43 = 2,021 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,021·3,429/5,429 = 1,277 V
VR2‴ = VB − VA = 2,021 − 1,277 = 0,7447 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−3,064) + 0,5957 + 0,7447 = −1,723 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,15 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​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​2 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 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 5 = 6,667 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 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) = 6·2/(10+2) = 1 V
IN​0,15 ARth​6,667 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 = 1/6,667 = 0,15 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 97,97 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​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​12 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 25 = 28,53 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​4 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) = 25,41 + 4·3,529 = 39,53 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 39,53 + 4·25 = 139,5 V
Rth​ = 28,53 Ω+−Vth​139,5 VRL​6 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) = 139,5/(28,53 + 6) = 4,041 A
PL = IL²·RL = 4,041²·6 = 97,97 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,269 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) = −4,5·4,7/(47 + 4,7) = −0,4091 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −0,4091·(1 + 100/22) = −2,269 V

Ответ

Vout = −2,269 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,642 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.

Входные токи

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

I1 = V1/R1 = −0,9/47 = −0,01915 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/22 = −0,02727 mA
If = I1 + I2 = −0,04642 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −100·(−0,04642) = 4,642 V

Ответ

Vout = 4,642 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,4899 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.

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

Выразите время

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −0,2128·ln(0,1) = 0,4899 ms

Ответ

t = 0,4899 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 1,569 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 напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 12·1/(4,7 + 1) = 2,105 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 1·68 = 68 ms

Разряд

vC(t) = 2,105·e−20/68 = 1,569 V

Ответ

vC = 1,569 V

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