Теория электрических цепей 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (14) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад 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: R_eq = R₁ + R₂ + …
Параллельное соединение резисторов: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Два параллельно: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Закон Ома: V = I·R
Мощность: P = V·I = I²R = V²/R

Метод

Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
После каждого шага перерисовывайте схему.
Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа: ΣI_in = ΣI_out
Ток ветви: I = (V_a − V_b)/R
Опорный узел: V_ground = 0

Метод

Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
Выразите ток каждой ветви как (V_a − V_b)/R.
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

Нарисуйте в каждом контуре (ячейке) схемы контурный ток по часовой стрелке.
Примените второй закон Кирхгофа к каждому контуру: сумма падений напряжения равна нулю.
В резисторе, общем для двух контуров, ток равен разности двух контурных токов.
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

Посчитайте независимые источники. Для каждого источника вы решите одну более простую схему.
Оставьте один источник, а остальные отключите: источник напряжения заменяется коротким замыканием (проводом), источник тока — разрывом цепи.
Найдите в упрощённой схеме нужное напряжение или ток, следя за направлением.
Повторите для каждого источника, затем сложите вклады с учётом знаков.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина: V_th = V_{open circuit}
Сопротивление Тевенина: R_th: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона: I_N = V_th/R_th
Ток нагрузки: I_L = V_th/(R_th + R_L)
Передача максимальной мощности: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

Метод

Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
Найдите напряжение холостого хода между a и b: это V_th.
Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это R_th.
Верните нагрузку в эквивалентную схему: V_th последовательно с R_th.
Для эквивалента Нортона преобразуйте: I_N = V_th/R_th, с R_N = R_th параллельно.

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Неинвертирующий усилитель: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Суммирующий усилитель: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Идеальный ОУ: V₊ = V₋, I_in = 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; v_C не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе: короткое замыкание; i_L не может измениться скачком
Установившийся режим: t ≈ 5τ

Метод

Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 24 VR₁ = 6 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 2 Ω

R_eq = Ω

2.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 6 VR₁ = 20 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 8 Ω

I_R1 = A

3.Метод узловых потенциаловСредняя

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

V₁ = 18 VI_s = 3 AR₁ = 5 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 20 Ω

V_B = V

4.Метод узловых потенциаловСложная

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет V_A = 10 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника I_s (направление как на схеме).

V₁ = 5 VR₁ = 15 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 6 ΩV_A = 10 V

I_s = A

5.Метод контурных токовСредняя

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

V₁ = 30 VV₂ = 15 VR₁ = 6 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 15 Ω

I₂ = A

6.Метод контурных токовСложная

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток I_R1 через R₁ в направлении стрелки.

V₁ = 36 VV₂ = 24 VR₁ = 30 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 6 Ω

I_R1 = A

7.Метод наложенияСредняя

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения V_s и один источник тока I_s. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при V_s = 15 V и I_s = 10 mA I = 17,5 mA; при V_s = 8 V и I_s = 4 mA I = 9 mA. Найдите ток нагрузки I при V_s = 4 V и I_s = 6 mA.

15 V, 10 mA → 17,5 mA8 V, 4 mA → 9 mAV_s = 4 V, I_s = 6 mA

I = mA

8.Метод наложенияСложная

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение V_R3 на R₃ с указанной полярностью.

V₁ = 9 VI_s = 3 AV₂ = 12 VR₁ = 4 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 30 Ω

V_R3 = V

9.Тевенин и НортонСредняя

Найдите сопротивление Тевенина R_th со стороны зажимов a–b.

V₁ = 9 VR₁ = 8 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 4 Ω

R_th = Ω

10.Тевенин и НортонСложная

К a–b подключена нагрузка R_L = 30 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки I_L.

V₁ = 9 VI_s = 3 AR₁ = 30 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 4 ΩR_L = 30 Ω

I_L = A

11.Схемы на операционных усилителяхСредняя

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 V_in,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R₁ = 4,7 kΩR_f = 10 kΩV_sat = ±13 V

V_in,max = V

12.Схемы на операционных усилителяхСложная

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

V₁ = −0,8 VV₂ = −0,6 VR₁ = 4,7 kΩR₂ = 2 kΩR_f = 4,7 kΩ

V_out = V

13.Переходные процессы RC и RLСредняя

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение v_L на катушке в момент t = 5 ms.

V_s = 5 VR = 47 ΩL = 220 mHt = 5 ms

v_L = V

14.Переходные процессы RC и RLСложная

Ключ, шунтирующий R₂, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R₂. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 0,401 A? Найдите t.

V_s = 20 VR₁ = 47 ΩR₂ = 5 ΩL = 22 mH

t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 15,19 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.

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 + 2 = 17 Ω

R₂ ∥ 17 = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω

R_eq = R₁ + 9,189 = 6 + 9,189 = 15,19 Ω

Ответ

R_eq = 15,19 Ω

2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 0,2419 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 20 + 8 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 4,242 Ω

R₃ + 4,242 = 9,242 Ω

R₂ ∥ 9,242 = 4,803 Ω

R_eq = R₁ + 4,803 = 20 + 4,803 = 24,8 Ω

Ток источника

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

I_R1 = V₁/R_eq = 6/24,8 = 0,2419 A

Ответ

I_R1 = 0,2419 A

3.Метод узловых потенциалов

Ответ: V_B = 28,56 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.

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V₁ = 18 V). Неизвестные: V_A, V_B.

ЗТК в узле A

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

V_A/R₂ + (V_A − V₁)/R₁ + (V_A − V_B)/R₃ = 0

V_A/3 + (V_A − 18)/5 + (V_A − V_B)/12 = 0

0,6167·V_A − 0,08333·V_B = 3,6

ЗТК в узле B

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

V_B/R₄ + (V_B − V_A)/R₃ = I_s

V_B/20 + (V_B − V_A)/12 = 3

−0,08333·V_A + 0,1333·V_B = 3

Решите

Δ = (0,6167)(0,1333) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,07528

V_A = Δ₁/Δ = 0,73/0,07528 = 9,697 V

V_B = Δ₂/Δ = 2,15/0,07528 = 28,56 V

Ответ

V_B = 28,56 V

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: I_s = 8,528 A

ЗТК в узле A

V_A известно, поэтому это уравнение даёт V_B.

(V_A − V₁)/R₁ + V_A/R₂ + (V_A − V_B)/R₃ = 0

(10 − 5)/15 + 10/8 = (V_B − 10)/20

1,583 = (V_B − 10)/20 → V_B = 41,67 V

ЗТК в узле B

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

I_s = (V_B − V_A)/R₃ + V_B/R₄ = (41,67 − 10)/20 + 41,67/6 = 8,528 A

Ответ

I_s = 8,528 A

5.Метод контурных токов

Ответ: I₂ = 0,625 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.

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

6·I₁ + 15(I₁ − I₂) = 30

21·I₁ − 15·I₂ = 30

ЗНК для контура 2

R₂·I₂ + R₃(I₂ − I₁) = −V₂

6·I₂ + 15(I₂ − I₁) = (−15)

−15·I₁ + 21·I₂ = −15

Решите

Δ = (21)(21) − (−15)(−15) = 216

I₁ = Δ₁/Δ = 405/216 = 1,875 A

I₂ = Δ₂/Δ = 135/216 = 0,625 A

Ответ

I₂ = 0,625 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I_R1 = 0,9786 A

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

R₁·I₁ + R₄(I₁ − I₂) = V₁

30·I₁ + 5(I₁ − I₂) = 36

35·I₁ − 5·I₂ = 36

ЗНК для контура 2

R₂·I₂ + R₄(I₂ − I₁) + R₅(I₂ − I₃) = 0

3·I₂ + 5(I₂ − I₁) + 6(I₂ − I₃) = 0

−5·I₁ + 14·I₂ − 6·I₃ = 0

ЗНК для контура 3

R₃·I₃ + R₅(I₃ − I₂) = −V₂

10·I₃ + 6(I₃ − I₂) = (−24)

−6·I₂ + 16·I₃ = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6180

I₁ = Δ₁/Δ = 6048/6180 = 0,9786 A

I₂ = Δ₂/Δ = −2160/6180 = −0,3495 A

I₃ = Δ₃/Δ = −10080/6180 = −1,631 A

Ответ

I_R1 = I₁ = 0,9786 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 5,5 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·V_s + k₂·I_s

15·k₁ + 10·k₂ = 17,5

8·k₁ + 4·k₂ = 9

Находим константы

Δ = (15)(4) − (10)(8) = −20

k₁ = Δ₁/Δ = −20/−20 = 1

k₂ = Δ₂/Δ = −5/−20 = 0,25

k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,25

Предсказываем новый ток

I = 1·4 + 0,25·6 = 5,5 mA

Ответ

I = 5,5 mA

8.Метод наложения

Ответ: V_R3 = −8,25 V

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) = 4 ∥ 50 = 3,704 Ω

V_A = 9·3,704/(4+3,704) = 4,327 V

V_B = V_A·R₄/(R₂+R₄) = 4,327·30/50 = 2,596 V

V_R3′ = 0 − V_A = 0 − 4,327 = −4,327 V

Случай 2 · действует только I_s

Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.

R₁ ∥ R₃ = 2 Ω, поэтому левый путь — R₂+2 = 22 Ω

R_eq = R₄ ∥ 22 = 12,69 Ω

V_B = I_s·R_eq = 3·12,69 = 38,08 V

V_A = V_B·2/22 = 3,462 V

V_R3″ = 0 − V_A = 0 − 3,462 = −3,462 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω

V_B = V₂·(R₂+R₁∥R₃)/(R₄+R₂+R₁∥R₃) = 12·22/52 = 5,077 V

V_A = V_B·(R₁∥R₃)/(R₂+R₁∥R₃) = 5,077·2/22 = 0,4615 V

V_R3‴ = 0 − V_A = 0 − 0,4615 = −0,4615 V

Сложите составляющие

V_R3 = V_R3′ + V_R3″ + V_R3‴

V_R3 = (−4,327) + (−3,462) + (−0,4615) = −8,25 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: R_th = 7,077 Ω

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения V_th, последовательный с сопротивлением R_th. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока I_N = V_th/R_th, параллельный R_th.

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R₁ ∥ R₂ = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3,077 + 4 = 7,077 Ω

10.Тевенин и Нортон

Ответ: I_L = 1,122 A

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

R₁ ∥ R₂ = 30·20/(30+20) = 12 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 12 + 4 = 16 Ω

Найдите V_th — 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 3,6 + 3·12 = 39,6 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 39,6 + 3·4 = 51,6 V

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.

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 51,6/(16 + 30) = 1,122 A

11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V_in,max = 4,156 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

A_v = 1 + R_f/R₁ = 1 + 10/4,7 = 3,128

Наибольший вход до ограничения

V_in,max = V_sat/|A_v| = 13/3,128 = 4,156 V

Ответ

V_in,max = 4,156 V

12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V_out = 2,21 V

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I₁ = V₁/R₁ = −0,8/4,7 = −0,1702 mA

I₂ = V₂/R₂ = −0,6/2 = −0,3 mA

I_f = I₁ + I₂ = −0,4702 mA

Выходное напряжение

V_out = −R_f·I_f = −4,7·(−0,4702) = 2,21 V

Ответ

V_out = 2,21 V

13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_L = 1,718 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 = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms

i(∞) = V_s/R = 5/47 = 0,1064 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

v_L(t) = V_s·e^−t/τ = 5·e^−5/4,681 = 1,718 V

Ответ

v_L = 1,718 V

14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 0,2395 ms

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 20/(47 + 5) = 0,3846 A

i(∞) = 20/47 = 0,4255 A

τ = L/R = 22/47 = 0,4681 ms

i(t) = 0,4255 + (0,3846 − 0,4255)·e^−t/τ

Выразите время

e^−t/τ = (0,401 − 0,4255)/(0,3846 − 0,4255) = 0,5996

t = 0,4681·ln(1,668) = 0,2395 ms

Ответ

t = 0,2395 ms

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

Теория электрических цепей 1: шпаргалка-пакет

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Метод

Метод узловых потенциалов

Метод

Метод контурных токов

Метод

Метод наложения

Метод

Тевенин и Нортон

Метод

Схемы на операционных усилителях

Переходные процессы RC и RL

Метод

2Тренировочные задачи

3Растворы

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Ответ

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Ток источника

Ответ

Определите узлы

ЗТК в узле A

ЗТК в узле B

Решите

Ответ

ЗТК в узле A

ЗТК в узле B

Ответ

Задайте контурные токи

ЗНК для контура 1

ЗНК для контура 2

Решите

Ответ

Задайте контурные токи

ЗНК для контура 1

ЗНК для контура 2

ЗНК для контура 3

Решите

Ответ

Записываем отклик как сумму вкладов

Находим константы

Предсказываем новый ток

Ответ

Случай 1 · действует только V1

Случай 2 · действует только Is

Случай 3 · действует только V2

Сложите составляющие

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Коэффициент усиления

Наибольший вход до ограничения

Ответ

Входные токи

Выходное напряжение

Ответ

Постоянная времени и конечный ток

Напряжение на катушке

Ответ

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Выразите время

Ответ

Случай 1 · действует только V₁

Случай 2 · действует только I_s

Случай 3 · действует только V₂

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

Найдите R_th со всеми отключёнными источниками

Найдите V_th — напряжение холостого хода