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​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​10 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​2 A

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​15 V

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

V1 = 24 VIs = 0,5 AV2 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 2 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 12 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR4​8 ΩAR5​10 ΩIR5​B+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 ΩR5 = 10 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩIR2​AR4​10 ΩBIs​3 A

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

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 Ω+−VR2​R4​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩAIs​6 AB+−V2​5 V

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

V1 = 10 VIs = 6 AV2 = 5 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​6 ABRL​5 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 36 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩRL = 5 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 1,7 V

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

Vin = 1,7 VR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = −0,9 VR = 10 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −0,9 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 100 ms.

Vin = −0,9 VR = 10 kΩC = 2,2 µFVsat = ±12 Vt = 100 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 47 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 95% конечного значения? Найдите t.

Vs = 5 VR = 47 ΩL = 68 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 VR1​ = 20 ΩR2​ = 22 Ωразмыкается при t = 0L150 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 10 ms.

Vs = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 22 ΩL = 150 mHt = 10 ms
i = A

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 18 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​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​10 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 12 + 6 = 18 Ω

Ответ

Req = 18 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1687 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAR4​20 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 = 15 + 30 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 13,85 Ω
R3 + 13,85 = 16,85 Ω
R2 ∥ 16,85 = 10,79 Ω
Req = R1 + 10,79 = 2 + 10,79 = 12,79 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/12,79 = 0,4692 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,4692·2 = 5,062 V
IR2 = VA/R2 = 5,062/30 = 0,1687 A

Ответ

IR2 = 0,1687 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 19,25 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/3 + (VA − 12)/10 + (VA − VB)/15 = 0
0,5·VA − 0,06667·VB = 1,2

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)/15 = 2
−0,06667·VA + 0,2333·VB = 2

Решите

Δ = (0,5)(0,2333) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1122
VA = Δ1/Δ = 0,4133/0,1122 = 3,683 V
VB = Δ2/Δ = 1,08/0,1122 = 9,624 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 = 9,624·2 = 19,25 W

Ответ

PIs = 19,25 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 12,07 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​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​15 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 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/25 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/12 = 0
0,19·VA − 0,08333·VB = 1,6

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)/12 + (VB − 15)/2 = 0,5
−0,08333·VA + 1,083·VB = 8

Решите

Δ = (0,19)(1,083) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1989
VA = Δ1/Δ = 2,4/0,1989 = 12,07 V
VB = Δ2/Δ = 1,653/0,1989 = 8,313 V

Ответ

VA = 12,07 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,1429 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​ = 12 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​10 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 6
17·I1 − 5·I2 = 6

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
8·I2 + 5(I2 − I1) = (−10)
−5·I1 + 13·I2 = −10

Решите

Δ = (17)(13) − (−5)(−5) = 196
I1 = Δ1/Δ = 28/196 = 0,1429 A
I2 = Δ2/Δ = −140/196 = −0,7143 A

Ответ

I1 = 0,1429 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 1,271 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​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR4​8 ΩAR5​10 ΩB+−V2​18 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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 36
12·I1 − 8·I2 = 36

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 + 8(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 26·I2 − 10·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
25·I3 + 10(I3 − I2) = (−18)
−10·I2 + 35·I3 = −18

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7480
I1 = Δ1/Δ = 27720/7480 = 3,706 A
I2 = Δ2/Δ = 7920/7480 = 1,059 A
I3 = Δ3/Δ = −1584/7480 = −0,2118 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 1,271 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = −1,916 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​3 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 = 12+10 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·22/(3+22) = 2,64 Ω
VA = 9·2,64/(4+2,64) = 3,578 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,578·10/22 = 1,627 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 3,578)/3 = −1,193 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​3 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 13,71 = 5,783 Ω
VB = Is·Req = 3·5,783 = 17,35 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 17,35·1,714/13,71 = 2,169 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 2,169)/3 = −0,7229 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−1,193) + (−0,7229) = −1,916 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −12,34 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​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​2 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) = 2 ∥ 9 = 1,636 Ω
VA = 10·1,636/(30+1,636) = 0,5172 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,5172·3/9 = 0,1724 V
VR2′ = VA − VB = 0,5172 − 0,1724 = 0,3448 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​2 ΩAIs​6 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 = 1,875 Ω, поэтому левый путь — R2+1,875 = 7,875 Ω
Req = R4 ∥ 7,875 = 2,172 Ω
VB = Is·Req = 6·2,172 = 13,03 V
VA = VB·1,875/7,875 = 3,103 V
VR2″ = VA − VB = 3,103 − 13,03 = −9,931 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB+−V2​5 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 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·7,875/10,88 = 3,621 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,621·1,875/7,875 = 0,8621 V
VR2‴ = VA − VB = 0,8621 − 3,621 = −2,759 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,3448 + (−9,931) + (−2,759) = −12,34 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 12 Ω

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​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 6 = 12 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = −1,412 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​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​2 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 2 = 3,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​2 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) = 9 + (−6)·1,5 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−6)·2 = −12 V
Rth​ = 3,5 Ω−+Vth​12 VRL​5 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) = −12/(3,5 + 5) = −1,412 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 5,44 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 = 1,7/10 = 0,17 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,7 + 0,17·22 = 5,44 V

Ответ

Vout = 5,44 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 4,091 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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 10 kΩ · 2,2 µF = 22 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−0,9)/22 = 0,04091 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,9)·100/22 = 4,091 V

Ответ

Vout = 4,091 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 4,334 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.

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 = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0,1064 A

Выразите время

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −1,447·ln(0,05) = 4,334 ms

Ответ

t = 4,334 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,381 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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.

i(0) = 15/20 = 0,75 A
i(∞) = 15/(20 + 22) = 0,3571 A
τ = L/R = 150/42 = 3,571 ms
i(t) = 0,3571 + (0,75 − 0,3571)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(10) = 0,3571 + (0,3929)·e−10/3,571 = 0,381 A

Ответ

i = 0,381 A

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