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​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 10 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 4 VIs​2 AAR1​5 ΩR2​12 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 узловое напряжение VA (относительно земли).

Is = 2 AVs = 4 VR1 = 5 ΩR2 = 12 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​6 VR3​10 ΩAR5​3 ΩBIs​1,5 A+−V2​15 V

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 3 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​2 ΩAR5​30 ΩIR5​B+−V2​12 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR5 через R5 в направлении стрелки.

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 ΩR5 = 30 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

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

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​5 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.

V1 = 18 VIs = 6 AV2 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​1 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩRL = 3 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 6.

R1 = 2 kΩAv = 6
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 1 kΩRf1​ = 2 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 22 kΩRf2​ = 2 kΩ

Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.

R1 = 1 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 2 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 33 ΩL33 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 = 10 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 10 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 8 V? Найдите t.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 10 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,8667 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​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​5 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 = 8 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 6·13/(6+13) = 4,105 Ω
Req = R1 + 4,105 = 3 + 4,105 = 7,105 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/7,105 = 1,267 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 1,267·3 = 5,2 V
IR2 = VA/R2 = 5,2/6 = 0,8667 A

Ответ

IR2 = 0,8667 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,2646 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​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBR6​5 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 16,67 Ω
R2 ∥ 16,67 = 7,895 Ω
Req = R1 + 7,895 = 12 + 7,895 = 19,89 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/19,89 = 0,5026 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,5026·12 = 3,968 V
IR2 = VA/R2 = 3,968/15 = 0,2646 A

Ответ

IR2 = 0,2646 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 5,882 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.

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 + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/5 + (VA + 4)/12 = 2
VA = (2 − 4/12)/(1/5 + 1/12) = 5,882 V
VB = 5,882 + 4 = 9,882 V

Ответ

VA = 5,882 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −0,6404 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​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩAR5​3 ΩBIs​1,5 A+−V2​15 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = 15 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/10 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/2 = 0
0,7·VA − 0,5·VB = 0,6

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/3 + (VB − VA)/2 + (VB − 15)/15 = 1,5
−0,5·VA + 0,9·VB = 2,5

Решите

Δ = (0,7)(0,9) − (−0,5)(−0,5) = 0,38
VA = Δ1/Δ = 1,79/0,38 = 4,711 V
VB = Δ2/Δ = 2,05/0,38 = 5,395 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (5,395 − 15)/15 = −0,6404 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = −0,5786 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​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩA+−V2​30 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
10·I1 + 6(I1 − I2) = 9
16·I1 − 6·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
5·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 11·I2 = −30

Решите

Δ = (16)(11) − (−6)(−6) = 140
I1 = Δ1/Δ = −81/140 = −0,5786 A
I2 = Δ2/Δ = −426/140 = −3,043 A

Ответ

IR1 = I1 = −0,5786 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,1411 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​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​2 ΩAR5​30 ΩB+−V2​12 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
25·I1 + 2(I1 − I2) = 24
27·I1 − 2·I2 = 24

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 + 2(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 35·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−12)
−30·I2 + 42·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 15222
I1 = Δ1/Δ = 12960/15222 = 0,8514 A
I2 = Δ2/Δ = −7704/15222 = −0,5061 A
I3 = Δ3/Δ = −9852/15222 = −0,6472 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,1411 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = −1,5 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​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​4 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+4 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·12/(12+12) = 6 Ω
VA = 18·6/(10+6) = 6,75 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,75·4/12 = 2,25 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (6,75 − 18)/10 = −1,125 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​3 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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 13,45 = 3,083 Ω
VB = Is·Req = (−3)·3,083 = −9,25 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −9,25·5,455/13,45 = −3,75 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (−3,75 − 0)/10 = −0,375 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−1,125) + (−0,375) = −1,5 A

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

8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 28,69 W

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​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​6 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) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VA = 18·4,2/(25+4,2) = 2,589 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,589·6/14 = 1,11 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (2,589 − 0)/6 = 0,4315 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 ΩAIs​6 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 = 4,839 Ω, поэтому левый путь — R2+4,839 = 12,84 Ω
Req = R4 ∥ 12,84 = 4,089 Ω
VB = Is·Req = 6·4,089 = 24,53 V
VA = VB·4,839/12,84 = 9,247 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (9,247 − 0)/6 = 1,541 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·12,84/18,84 = 3,408 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,408·4,839/12,84 = 1,284 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,284 − 0)/6 = 0,214 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,4315 + 1,541 + 0,214 = 2,187 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR3 = IR3²·R3 = 2,187²·6 = 28,69 W

Ответ

PR3 = 28,69 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 15,64 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 18 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​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​6 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 12 = 14,4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​6 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) = 30·6/(4+6) = 18 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,346 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​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​5 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 15 = 17,22 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​1 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) = 10 + 1·2,222 = 12,22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,22 + 1·15 = 27,22 V
Rth​ = 17,22 Ω+−Vth​27,22 VRL​3 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) = 27,22/(17,22 + 3) = 1,346 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 10 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 = (6 − 1)·2 = 10 kΩ

Ответ

Rf = 10 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Av = −2,182

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 каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −2/1 = −2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/22 = 1,091

Общий коэффициент усиления

Av = A1·A2 = −2·1,091 = −2,182

Ответ

Av = −2,182
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 2,303 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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A

Выразите время

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1·ln(0,1) = 2,303 ms

Ответ

t = 2,303 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 16,86 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

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 10 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 5 + (10 − 5)·e−t/τ

Выразите время

8 = 5 + (5)·e−t/τ → e−t/τ = (8 − 5)/(10 − 5) = 0,6
t = τ·ln((10 − 5)/(8 − 5)) = 33·ln(1,667) = 16,86 ms

Ответ

t = 16,86 ms

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