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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​4 Ω+−V1​6 VI1​R2​8 Ω+−V2​12 VR3​12 ΩA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩV2 = 12 VR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​30 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 3 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 ΩVA = 3 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​2 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​6 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).

V1 = 15 VV2 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 25 ΩR5 = 6 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 Ω−+VR2​AR4​10 ΩBIs​1 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 Ω−+VR2​R4​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAIs​2 AB−+V2​24 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 24 VIs = 2 AV2 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 10 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩARL​4 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAIs​1,5 ABRL​4 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = −2,4 VR1​ = 2 kΩV2​ = 2,6 VR3​ = 2 kΩR4​ = 1 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = −2,4 VV2 = 2,6 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 1 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 47 kΩRf1​ = 100 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 10 kΩRf2​ = 1 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 = 47 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 4,7 kΩC68 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.

Vs = 9 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 68 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 3 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 9,3 V? Найдите t.

Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,667 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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​6 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 = 10 + 2 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 8 + 4 = 12 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/12 = 2,5 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,5·8 = 10 V
IR2 = VA/R2 = 10/6 = 1,667 A

Ответ

IR2 = 1,667 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,006 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​ = 20 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAR4​30 ΩBR6​2 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 9,545 Ω
R3 + 9,545 = 34,55 Ω
R2 ∥ 34,55 = 7,755 Ω
Req = R1 + 7,755 = 20 + 7,755 = 27,76 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 36/27,76 = 1,297 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,297·20 = 10,06 V
IR2 = VA/R2 = 10,06/10 = 1,006 A

Ответ

IR2 = 1,006 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I1 = −0,1364 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.

ЗТК в узле A

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − 6)/4 + (VA − 12)/8 + VA/12 = 0

Находим VA

VA = (6/4 + 12/8 + 0/12) / (1/4 + 1/8 + 1/12) = 3/0,4583 = 6,545 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I1 = (6 − VA)/R1 = (6 − 6,545)/4 = −0,1364 A

Ответ

I1 = −0,1364 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 1,696 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.

ЗТК в узле A

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(3 − 9)/25 + 3/2 = (VB − 3)/8
1,26 = (VB − 3)/8 → VB = 13,08 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (13,08 − 3)/8 + 13,08/30 = 1,696 A

Ответ

Is = 1,696 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,2679 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​ = 3 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​2 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
3·I1 + 2(I1 − I2) = 30
5·I1 − 2·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
10·I2 + 2(I2 − I1) = (−15)
−2·I1 + 12·I2 = −15

Решите

Δ = (5)(12) − (−2)(−2) = 56
I1 = Δ1/Δ = 330/56 = 5,893 A
I2 = Δ2/Δ = −15/56 = −0,2679 A

Ответ

I2 = −0,2679 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,4182 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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​6 ΩB+−V2​10 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
20·I1 + 25(I1 − I2) = 15
45·I1 − 25·I2 = 15

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 + 25(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 36·I2 − 6·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
5·I3 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 11·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9325
I1 = Δ1/Δ = 3900/9325 = 0,4182 A
I2 = Δ2/Δ = 1425/9325 = 0,1528 A
I3 = Δ3/Δ = −7700/9325 = −0,8257 A

Ответ

I1 = 0,4182 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = −16,56 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​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​10 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 = 6+10 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·16/(8+16) = 5,333 Ω
VA = 24·5,333/(3+5,333) = 15,36 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15,36·10/16 = 9,6 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 15,36 = −15,36 V
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​8 ΩAR4​10 ΩBIs​1 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 8,182 = 4,5 Ω
VB = Is·Req = 1·4,5 = 4,5 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,5·2,182/8,182 = 1,2 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 1,2 = −1,2 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−15,36) + (−1,2) = −16,56 V

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −4,374 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​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​25 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) = 25 ∥ 15 = 9,375 Ω
VA = 24·9,375/(12+9,375) = 10,53 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 10,53·10/15 = 7,018 V
VR2′ = VB − VA = 7,018 − 10,53 = −3,509 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​25 ΩAIs​2 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 = 8,108 Ω, поэтому левый путь — R2+8,108 = 13,11 Ω
Req = R4 ∥ 13,11 = 5,673 Ω
VB = Is·Req = 2·5,673 = 11,35 V
VA = VB·8,108/13,11 = 7,018 V
VR2″ = VB − VA = 11,35 − 7,018 = 4,327 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​25 ΩAОБРЫВB−+V2​24 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 = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·13,11/23,11 = −13,61 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −13,61·8,108/13,11 = −8,421 V
VR2‴ = VB − VA = −13,61 − −8,421 = −5,193 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−3,509) + 4,327 + (−5,193) = −4,374 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,9375 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​4 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 4 = 6,667 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​4 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) = 30·4/(8+4) = 10 V
Rth​ = 6,667 Ω+−Vth​10 VRL​4 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) = 10/(6,667 + 4) = 0,9375 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 6,311 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​ = 8 ΩR3​ = 5 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 5 = 7,182 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAIs​1,5 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) = 3,273 + 1,5·2,182 = 6,545 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,545 + 1,5·5 = 14,05 V
Rth​ = 7,182 Ω+−Vth​14,05 VRL​4 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) = 14,05/(7,182 + 4) = 1,256 A
PL = IL²·RL = 1,256²·4 = 6,311 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 2,5 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.

Напряжение на входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2,6·1/(2 + 1) = 0,8667 V
V₋ = V₊

ЗТК на инвертирующем входе

(−2,4 − 0,8667)/2 = (0,8667 − Vout)/1
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (1/2)·(2,6 − (−2,4)) = 2,5 V

Ответ

Vout = 2,5 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Av = −2,34

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 = −100/47 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1,1

Общий коэффициент усиления

Av = A1·A2 = −2,128·1,1 = −2,34

Ответ

Av = −2,34
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: τ = 101,9 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·4,7/(2,2 + 4,7) = 1,499 kΩ
vC(∞) = 9·4,7/(2,2 + 4,7) = 6,13 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,499·68 = 101,9 ms

Ответ

τ = 101,9 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1245 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 220 µF = 1034 ms
vC(t) = 12 + (3 − 12)·e−t/τ

Выразите время

9,3 = 12 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (9,3 − 12)/(3 − 12) = 0,3
t = τ·ln((3 − 12)/(9,3 − 12)) = 1034·ln(3,333) = 1245 ms

Ответ

t = 1245 ms

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