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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​12 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

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

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​5 ΩAR5​2 ΩBIs​2 A+−V2​15 V

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

V1 = 36 VIs = 2 AV2 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 2 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩR2​ = 3 ΩIR2​+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
IR2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR4​5 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 ΩR5 = 20 Ω
I2 = 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 = 20 V и Is = 8 mA I = 26,8 mA; при Vs = 2 V и Is = 3 mA I = 1,8 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 12 V и Is = 2 mA.

20 V, 8 mA → 26,8 mA2 V, 3 mA → 1,8 mAVs = 12 V, Is = 2 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩIR3​AIs​1 AB−+V2​18 V

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

V1 = 9 VIs = 1 AV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = 1,7 V

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

Vin = 1,7 VR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 1,8 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0,2 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = 1,8 VV2 = 0,2 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​12 Vt = 0R = 50 ΩL10 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

Vs = 12 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 10,8 V, ровно через 500 ms после старта. При R = 22 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 12 VVth = 10,8 VT = 500 msR = 22 kΩ
C = µF

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 1,268 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 2·22/(2+22) = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 10 + 1,833 = 11,83 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/11,83 = 1,268 A

Ответ

IR1 = 1,268 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 2,368 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​ = 2 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩAR4​6 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 = 6 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 5,143 Ω
R3 + 5,143 = 7,143 Ω
R2 ∥ 7,143 = 2,941 Ω
Req = R1 + 2,941 = 6 + 2,941 = 8,941 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 36/8,941 = 4,026 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 4,026·6 = 11,84 V
IR2 = VA/R2 = 11,84/5 = 2,368 A

Ответ

IR2 = 2,368 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = 3,661 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​18 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 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 − 18)/4 + (VA − VB)/2 = 0
0,875·VA − 0,5·VB = 4,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/2 = (−4)
−0,5·VA + 0,5667·VB = −4

Решите

Δ = (0,875)(0,5667) − (−0,5)(−0,5) = 0,2458
VA = Δ1/Δ = 0,55/0,2458 = 2,237 V
VB = Δ2/Δ = −1,25/0,2458 = −5,085 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (2,237 − −5,085)/2 = 3,661 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 7,939 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​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​5 ΩAR5​2 ΩBIs​2 A+−V2​15 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 36 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/5 + (VA − 36)/30 + (VA − VB)/3 = 0
0,5667·VA − 0,3333·VB = 1,2

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/2 + (VB − VA)/3 + (VB − 15)/3 = 2
−0,3333·VA + 1,167·VB = 7

Решите

Δ = (0,5667)(1,167) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,55
VA = Δ1/Δ = 3,733/0,55 = 6,788 V
VB = Δ2/Δ = 4,367/0,55 = 7,939 V

Ответ

VB = 7,939 V
5.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,7377 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​ = 20 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​15 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
20·I1 + 8(I1 − I2) = 30
28·I1 − 8·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 11·I2 = −15

Решите

Δ = (28)(11) − (−8)(−8) = 244
I1 = Δ1/Δ = 210/244 = 0,8607 A
I2 = Δ2/Δ = −180/244 = −0,7377 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,7377 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,4525 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​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR4​5 ΩAR5​20 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 9
15·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 5(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 33·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 28·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7160
I1 = Δ1/Δ = 3216/7160 = 0,4492 A
I2 = Δ2/Δ = −3240/7160 = −0,4525 A
I3 = Δ3/Δ = −6150/7160 = −0,8589 A

Ответ

I2 = −0,4525 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 17,2 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
20·k₁ + 8·k₂ = 26,8
2·k₁ + 3·k₂ = 1,8

Находим константы

Δ = (20)(3) − (8)(2) = 44
k₁ = Δ1/Δ = 66/44 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −17,6/44 = −0,4
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,4

Предсказываем новый ток

I = 1,5·12 + (−0,4)·2 = 17,2 mA

Ответ

I = 17,2 mA
8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 1,983 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​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​9 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 ∥ 14 = 6,462 Ω
VA = 9·6,462/(10+6,462) = 3,533 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,533·12/14 = 3,028 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,533 − 0)/12 = 0,2944 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​12 ΩAIs​1 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 = 5,455 Ω, поэтому левый путь — R2+5,455 = 7,455 Ω
Req = R4 ∥ 7,455 = 4,598 Ω
VB = −Is·Req = −1·4,598 = −4,598 V
VA = VB·5,455/7,455 = −3,364 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−3,364 − 0)/12 = −0,2804 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​12 ΩAОБРЫВB−+V2​18 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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·7,455/19,45 = −6,897 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −6,897·5,455/7,455 = −5,047 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−5,047 − 0)/12 = −0,4206 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,2944 + (−0,2804) + (−0,4206) = −0,4065 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 = (−0,4065)²·12 = 1,983 W

Ответ

PR3 = 1,983 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 4,106 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 6,667 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​ = 3 ΩR3​ = 2 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 2 = 4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 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) = 10·6/(3+6) = 6,667 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 6,17 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​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​20 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 15 = 26,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAIs​6 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) = 4,444 + 6·11,11 = 71,11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 71,11 + 6·15 = 161,1 V
IN​6,17 ARth​26,11 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 = 161,1/26,11 = 6,17 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 5,317 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₊ = 1,7 V
I = V₋/R1 = 1,7/47 = 0,03617 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,7 + 0,03617·100 = 5,317 V

Ответ

Vout = 5,317 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,804 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 = 1,8/2 = 0,9 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/100 = 0,002 mA
If = I1 + I2 = 0,902 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −2·0,902 = −1,804 V

Ответ

Vout = −1,804 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2384 A

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 = 12/50 = 0,24 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,24·(1 − e−1/0,2) = 0,2384 A

Ответ

i = 0,2384 A
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 9,87 µF

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.

Требуемая постоянная времени

10,8 = 12·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(12/(12 − 10,8))
τ = 500/2,303 = 217,1 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 217,1/22 = 9,87 µF

Ответ

C = 9,87 µF

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