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 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​10 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​30 ΩBR6​8 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 ΩR5 = 6 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBIs​1 A

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

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​3 ΩAR5​30 ΩBIs​2,5 A−+V2​30 V

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

V1 = 5 VIs = 2,5 AV2 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​12 ΩIR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 36 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 2 ΩR5 = 12 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩIR2​AR4​5 ΩBIs​5 A

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩIR1​R2​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩAIs​2,5 AB+−V2​6 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR1, потребляемую R1.

V1 = 6 VIs = 2,5 AV2 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
PR1 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​4 ABRL​30 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 30 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩRL = 30 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −0,4 V

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

Vin = −0,4 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −1,1 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1 VR2​ = 10 kΩ

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

V1 = −1,1 VV2 = 1 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.

Vs = 5 VR = 33 ΩL = 150 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​20 Vt = 0R = 3,3 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.

Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 15 Vt = 150 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 18,67 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​15 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 = 2 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 12 + 6,667 = 18,67 Ω

Ответ

Req = 18,67 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,6429 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​ = 6 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​30 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 = 6 + 8 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 9,545 Ω
R3 + 9,545 = 34,55 Ω
R2 ∥ 34,55 = 12,67 Ω
Req = R1 + 12,67 = 6 + 12,67 = 18,67 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/18,67 = 0,6429 A

Ответ

IR1 = 0,6429 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = 1,313 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​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBIs​1 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 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/8 + (VA − 30)/4 + (VA − VB)/2 = 0
0,875·VA − 0,5·VB = 7,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/2 = 1
−0,5·VA + 0,6667·VB = 1

Решите

Δ = (0,875)(0,6667) − (−0,5)(−0,5) = 0,3333
VA = Δ1/Δ = 5,5/0,3333 = 16,5 V
VB = Δ2/Δ = 4,625/0,3333 = 13,88 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (16,5 − 13,88)/2 = 1,313 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = −12,94 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​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​3 ΩAR5​30 ΩBIs​2,5 A−+V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 5 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/3 + (VA − 5)/6 + (VA − VB)/3 = 0
0,8333·VA − 0,3333·VB = 0,8333

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/30 + (VB − VA)/3 + (VB − (−30))/20 = (−2,5)
−0,3333·VA + 0,4167·VB = −4

Решите

Δ = (0,8333)(0,4167) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,2361
VA = Δ1/Δ = −0,9861/0,2361 = −4,176 V
VB = Δ2/Δ = −3,056/0,2361 = −12,94 V

Ответ

VB = −12,94 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −1,68 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​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​4 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
15·I1 + 4(I1 − I2) = 9
19·I1 − 4·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
10·I2 + 4(I2 − I1) = (−24)
−4·I1 + 14·I2 = −24

Решите

Δ = (19)(14) − (−4)(−4) = 250
I1 = Δ1/Δ = 30/250 = 0,12 A
I2 = Δ2/Δ = −420/250 = −1,68 A

Ответ

I2 = −1,68 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,4354 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​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR4​2 ΩAR5​12 ΩB+−V2​36 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
5·I1 + 2(I1 − I2) = 5
7·I1 − 2·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
5·I2 + 2(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 19·I2 − 12·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
30·I3 + 12(I3 − I2) = (−36)
−12·I2 + 42·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4410
I1 = Δ1/Δ = 2406/4410 = 0,5456 A
I2 = Δ2/Δ = −2604/4410 = −0,5905 A
I3 = Δ3/Δ = −4524/4410 = −1,026 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,4354 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = 0,85 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​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​15 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) = 15·10/(15+10) = 6 Ω
VA = 9·6/(10+6) = 3,375 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,375·5/10 = 1,688 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (3,375 − 0)/15 = 0,225 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​15 ΩAR4​5 ΩBIs​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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 11 = 3,438 Ω
VB = Is·Req = 5·3,438 = 17,19 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 17,19·6/11 = 9,375 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (9,375 − 0)/15 = 0,625 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,225 + 0,625 = 0,85 A

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

8.Метод наложения

Ответ: PR1 = 1,231 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​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​20 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) = 20 ∥ 19 = 9,744 Ω
VA = 6·9,744/(30+9,744) = 1,471 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,471·4/19 = 0,3097 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 1,471)/30 = 0,151 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​20 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R3 = 12 Ω, поэтому левый путь — R2+12 = 27 Ω
Req = R4 ∥ 27 = 3,484 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·3,484 = −8,71 V
VA = VB·12/27 = −3,871 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −3,871)/30 = 0,129 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​20 ΩAОБРЫВB+−V2​6 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 = 30·20/(30+20) = 12 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·27/31 = 5,226 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,226·12/27 = 2,323 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,323)/30 = −0,07742 A

Складываем вклады токов

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 0,151 + 0,129 + (−0,07742) = 0,2026 A

Мощность в резисторе

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

PR1 = IR1²·R1 = 0,2026²·30 = 1,231 W

Ответ

PR1 = 1,231 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 1,363 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 0,9091 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​ = 4 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 4 = 5,818 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 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) = 10·2/(20+2) = 0,9091 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 95,96 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​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 20 = 22 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 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) = 5 + 4·2 = 13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13 + 4·20 = 93 V
Rth​ = 22 Ω+−Vth​93 VRL​30 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) = 93/(22 + 30) = 1,788 A
PL = IL²·RL = 1,788²·30 = 95,96 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,255 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₊ = −0,4 V
I = V₋/R1 = −0,4/22 = −0,01818 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,4 + (−0,01818)·47 = −1,255 V

Ответ

Vout = −1,255 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,5 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 = −1,1/2 = −0,55 mA
I2 = V2/R2 = 1/10 = 0,1 mA
If = I1 + I2 = −0,45 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −10·(−0,45) = 4,5 V

Ответ

Vout = 4,5 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 1,361 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 = 150 mH / 33 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,1515·(1 − e−10/4,545) = 0,1347 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·150·0,1347² = 1,361 mJ

Ответ

W = 1,361 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 16,83 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 20 + (15 − 20)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(150) = 20 + (−5)·e−150/330 = 16,83 V

Ответ

vC = 16,83 V

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