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​ = 12 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​2 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

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

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​30 ΩAR5​25 ΩBIs​6 A−+V2​9 V

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

V1 = 18 VIs = 6 AV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​5 ΩIR5​B+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 5 Ω
IR5 = 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 = 10 V и Is = 10 mA I = 17,5 mA; при Vs = 12 V и Is = 1 mA I = 23,75 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 1 mA.

10 V, 10 mA → 17,5 mA12 V, 1 mA → 23,75 mAVs = 5 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​5 VR3​6 ΩIR3​AIs​4 AB+−V2​?

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

V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩARL​8 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAIs​3 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = 1,2 VR1​ = 100 kΩV2​ = −0,6 VR2​ = 22 kΩIf​

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.

V1 = 1,2 VV2 = −0,6 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRf = 100 kΩ
If = mA
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 15 ΩL22 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 9 VR = 15 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = 6,8 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 12 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.

Vs = 15 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 12 Vt = 150 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,593 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​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​20 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 20·14/(20+14) = 8,235 Ω
Req = R1 + 8,235 = 12 + 8,235 = 20,24 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/20,24 = 0,593 A

Ответ

IR1 = 0,593 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1999 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​ = 12 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBR6​30 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 + 30 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 6,439 Ω
R3 + 6,439 = 18,44 Ω
R2 ∥ 18,44 = 9,594 Ω
Req = R1 + 9,594 = 12 + 9,594 = 21,59 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/21,59 = 0,4168 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,4168·12 = 3,999 V
IR2 = VA/R2 = 3,999/20 = 0,1999 A

Ответ

IR2 = 0,1999 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 38,2 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)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,575·VA − 0,25·VB = 6

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)/4 = 2
−0,25·VA + 0,35·VB = 2

Решите

Δ = (0,575)(0,35) − (−0,25)(−0,25) = 0,1387
VA = Δ1/Δ = 2,6/0,1387 = 18,74 V
VB = Δ2/Δ = 2,65/0,1387 = 19,1 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 = 19,1·2 = 38,2 W

Ответ

PIs = 38,2 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 16,33 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​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​30 ΩAR5​25 ΩBIs​6 A−+V2​9 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = −9 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/30 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,4833·VA − 0,2·VB = 4,5

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/25 + (VB − VA)/5 + (VB − (−9))/5 = 6
−0,2·VA + 0,44·VB = 4,2

Решите

Δ = (0,4833)(0,44) − (−0,2)(−0,2) = 0,1727
VA = Δ1/Δ = 2,82/0,1727 = 16,33 V
VB = Δ2/Δ = 2,93/0,1727 = 16,97 V

Ответ

VA = 16,33 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −2,824 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​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩA+−V2​24 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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 24
11·I1 − 3·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 7·I2 = −24

Решите

Δ = (11)(7) − (−3)(−3) = 68
I1 = Δ1/Δ = 96/68 = 1,412 A
I2 = Δ2/Δ = −192/68 = −2,824 A

Ответ

I2 = −2,824 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,5169 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​ = 8 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​5 ΩB+−V2​5 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 + 4(I1 − I2) = 30
14·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
25·I2 + 4(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 34·I2 − 5·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 + 5(I3 − I2) = (−5)
−5·I2 + 13·I3 = −5

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5630
I1 = Δ1/Δ = 12410/5630 = 2,204 A
I2 = Δ2/Δ = 1210/5630 = 0,2149 A
I3 = Δ3/Δ = −1700/5630 = −0,302 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,5169 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 9,75 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
10·k₁ + 10·k₂ = 17,5
12·k₁ + 1·k₂ = 23,75

Находим константы

Δ = (10)(1) − (10)(12) = −110
k₁ = Δ1/Δ = −220/−110 = 2
k₂ = Δ2/Δ = 27,5/−110 = −0,25
k₁ = 2 mA/V, k₂ = −0,25

Предсказываем новый ток

I = 2·5 + (−0,25)·1 = 9,75 mA

Ответ

I = 9,75 mA
8.Метод наложения

Ответ: V2 = 51,67 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​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​5 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 ∥ 20 = 4,615 Ω
VA = 5·4,615/(12+4,615) = 1,389 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,389·15/20 = 1,042 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​6 ΩAIs​4 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 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 5,625 Ω
VB = −Is·Req = −4·5,625 = −22,5 V
VA = VB·4/9 = −10 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 = 4 Ω
VA‴ = V2·4/(15 + 5 + 4) = 0,1667·V2

Приравниваем VA к нулю

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,389 + (−10) + 0,1667·V2 = 0
V2 = 8,611/0,1667 = 51,67 V

Ответ

V2 = 51,67 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,2172 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​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 6 = 11,22 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 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) = 12·8/(15+8) = 4,174 V
Rth​ = 11,22 Ω+−Vth​4,174 VRL​8 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) = 4,174/(11,22 + 8) = 0,2172 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 26,14 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​ = 30 ΩR3​ = 4 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 4 = 8,286 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAIs​3 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) = 1,286 + 3·4,286 = 14,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,14 + 3·4 = 26,14 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 2,288 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.

Коэффициент усиления

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/4,7 = 5,681

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/5,681 = 2,288 V

Ответ

Vin,max = 2,288 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = −0,01527 mA

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 = 1,2/100 = 0,012 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/22 = −0,02727 mA
If = I1 + I2 = −0,01527 mA

Ответ

If = −0,01527 mA
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 3,96 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 = 22 mH / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0,6 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·0,6² = 3,96 mJ

Ответ

W(∞) = 3,96 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 13,9 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 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 22 µF = 149,6 ms
vC(t) = 15 + (12 − 15)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(150) = 15 + (−3)·e−150/149,6 = 13,9 V

Ответ

vC = 13,9 V

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