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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​4 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBR6​8 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 ΩR5 = 15 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

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

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 Ω+−Vs​ = 8 VIx​+−V1​30 VR2​30 ΩAR3​8 ΩBIs​6 A

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

V1 = 30 VIs = 6 AVs = 8 VR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 Ω
Ix = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​2 ΩIR3​A+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​8 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 ΩR5 = 8 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​5 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 ΩIR4​+−V1​18 VR3​12 ΩAIs​1,5 AB+−V2​30 V

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

V1 = 18 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​0,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 0,4 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,8 VR3​ = 22 kΩR4​ = 100 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 0,4 VV2 = 1,8 VR1 = R3 = 22 kΩR2 = R4 = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −1,4 VR1​ = 10 kΩV2​ = −1,5 VR2​ = 2 kΩ

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

V1 = −1,4 VV2 = −1,5 VR1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 50 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.

Vs = 15 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 VR1​ = 33 ΩR2​ = 5 Ωразмыкается при t = 0L100 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,349 A? Найдите t.

Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 5 ΩL = 100 mH
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 6,958 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​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​4 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 5·19/(5+19) = 3,958 Ω
Req = R1 + 3,958 = 3 + 3,958 = 6,958 Ω

Ответ

Req = 6,958 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8,357 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​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBR6​8 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 1,84 Ω
R3 + 1,84 = 6,84 Ω
R2 ∥ 6,84 = 4,357 Ω
Req = R1 + 4,357 = 4 + 4,357 = 8,357 Ω

Ответ

Req = 8,357 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 113,3 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/8 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/12 = 0
0,5417·VA − 0,08333·VB = 10

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/12 = 4
−0,08333·VA + 0,2083·VB = 4

Решите

Δ = (0,5417)(0,2083) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1059
VA = Δ1/Δ = 2,417/0,1059 = 22,82 V
VB = Δ2/Δ = 3/0,1059 = 28,33 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 = 28,33·4 = 113,3 W

Ответ

PIs = 113,3 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Ix = −2 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 − 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 30)/15 + VA/30 + (VA − 8)/8 = 6
VA·(1/15 + 1/30 + 1/8) = 6 + 30/15 + 8/8 = 9
VA = 9/0,225 = 40 V
VB = 32 V

Ток через источник напряжения

ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.

IR1 = (30 − 40)/15 = −0,6667 A
Ix = IR1 − VA/R2 = −0,6667 − 40/30 = −2 A

Ответ

Ix = −2 A

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

5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 3,651 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​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​2 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 + 2(I1 − I2) = 18
5·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 22·I2 = −9

Решите

Δ = (5)(22) − (−2)(−2) = 106
I1 = Δ1/Δ = 378/106 = 3,566 A
I2 = Δ2/Δ = −9/106 = −0,08491 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 3,651 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 1,352 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​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​8 ΩB+−V2​24 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
15·I1 + 4(I1 − I2) = 30
19·I1 − 4·I2 = 30

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 + 4(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 17·I2 − 8·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
3·I3 + 8(I3 − I2) = (−24)
−8·I2 + 11·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 2161
I1 = Δ1/Δ = 2922/2161 = 1,352 A
I2 = Δ2/Δ = −2328/2161 = −1,077 A
I3 = Δ3/Δ = −6408/2161 = −2,965 A

Ответ

I1 = 1,352 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,4367 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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​12 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 = 6+5 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·11/(12+11) = 5,739 Ω
VA = 24·5,739/(8+5,739) = 10,03 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,03·5/11 = 4,557 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (10,03 − 4,557)/6 = 0,9114 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​12 ΩAR4​5 ΩBIs​1,5 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 10,8 = 3,418 Ω
VB = Is·Req = 1,5·3,418 = 5,127 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,127·4,8/10,8 = 2,278 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (2,278 − 5,127)/6 = −0,4747 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,9114 + (−0,4747) = 0,4367 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = 0,5255 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 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 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 ∥ 45 = 9,474 Ω
VA = 18·9,474/(5+9,474) = 11,78 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,78·20/45 = 5,236 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (5,236 − 0)/20 = 0,2618 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​12 ΩAIs​1,5 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 = 3,529 Ω, поэтому левый путь — R2+3,529 = 28,53 Ω
Req = R4 ∥ 28,53 = 11,76 Ω
VB = Is·Req = 1,5·11,76 = 17,64 V
VA = VB·3,529/28,53 = 2,182 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (17,64 − 0)/20 = 0,8818 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​12 ΩAОБРЫВB+−V2​30 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·28,53/48,53 = 17,64 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 17,64·3,529/28,53 = 2,182 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (17,64 − 30)/20 = −0,6182 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,2618 + 0,8818 + (−0,6182) = 0,5255 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 2,25 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​ = 2 ΩКЗR2​15 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 2 = 8 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 30·15/(10+15) = 18 V
IN​2,25 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 = 18/8 = 2,25 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 6 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​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​2 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 8 = 9,818 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​0,5 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) = 1,091 + 0,5·1,818 = 2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2 + 0,5·8 = 6 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 6,364 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 входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,8·100/(22 + 100) = 1,475 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(0,4 − 1,475)/22 = (1,475 − Vout)/100
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (100/22)·(1,8 − 0,4) = 6,364 V

Ответ

Vout = 6,364 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,89 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 = −1,4/10 = −0,14 mA
I2 = V2/R2 = −1,5/2 = −0,75 mA
If = I1 + I2 = −0,89 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −1·(−0,89) = 0,89 V

Ответ

Vout = 0,89 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 0,1011 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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0,3 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 = 15·e−1/0,2 = 0,1011 V

Ответ

vL = 0,1011 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,9609 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.

i(0) = 12/33 = 0,3636 A
i(∞) = 12/(33 + 5) = 0,3158 A
τ = L/R = 100/38 = 2,632 ms
i(t) = 0,3158 + (0,3636 − 0,3158)·e−t/τ

Выразите время

e−t/τ = (0,349 − 0,3158)/(0,3636 − 0,3158) = 0,6941
t = 2,632·ln(1,441) = 0,9609 ms

Ответ

t = 0,9609 ms

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