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​ = 3 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 5 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​3 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 3 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

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

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩAR5​12 ΩBIs​4 A+−V2​9 V

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

V1 = 24 VIs = 4 AV2 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​3 ΩIR3​A+−V2​18 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​5 ΩIR4​BIs​1,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR4, потребляемую R4.

V1 = 15 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
PR4 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​10 V

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

V1 = 9 VIs = 2 AV2 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAIs​3 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 5 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 2,6 VR1​ = 10 kΩV2​ = 2,9 VR3​ = 10 kΩR4​ = 47 kΩ

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

V1 = 2,6 VV2 = 2,9 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
V− = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 0,6 VR = 2,2 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 0,6 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.

Vin = 0,6 VR = 2,2 kΩC = 2,2 µFVsat = ±13 Vt = 20 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 80% конечного значения? Найдите t.

Vs = 15 VR = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​20 Vt = 0R = 3,3 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 12,8 V? Найдите t.

Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,466 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​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 2·28/(2+28) = 1,867 Ω
Req = R1 + 1,867 = 3 + 1,867 = 4,867 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/4,867 = 2,466 A

Ответ

IR1 = 2,466 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,2532 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​ = 5 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​3 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 = 3 + 2 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 1,875 Ω
R3 + 1,875 = 6,875 Ω
R2 ∥ 6,875 = 3,697 Ω
Req = R1 + 3,697 = 20 + 3,697 = 23,7 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/23,7 = 0,2532 A

Ответ

IR1 = 0,2532 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = −0,48 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​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/15 + (VA − 12)/10 + (VA − VB)/5 = 0
0,3667·VA − 0,2·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/4 + (VB − VA)/5 = (−3)
−0,2·VA + 0,45·VB = −3

Решите

Δ = (0,3667)(0,45) − (−0,2)(−0,2) = 0,125
VA = Δ1/Δ = −0,06/0,125 = −0,48 V
VB = Δ2/Δ = −0,86/0,125 = −6,88 V

Ответ

VA = −0,48 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 10,03 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​ = 2 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩAR5​12 ΩBIs​4 A+−V2​9 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 V, V2 = 9 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 − 24)/30 + (VA − VB)/2 = 0
0,7333·VA − 0,5·VB = 0,8

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/12 + (VB − VA)/2 + (VB − 9)/3 = 4
−0,5·VA + 0,9167·VB = 7

Решите

Δ = (0,7333)(0,9167) − (−0,5)(−0,5) = 0,4222
VA = Δ1/Δ = 4,233/0,4222 = 10,03 V
VB = Δ2/Δ = 5,533/0,4222 = 13,11 V

Ответ

VA = 10,03 V
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 1,263 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​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​3 ΩA+−V2​18 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
4·I1 + 3(I1 − I2) = 6
7·I1 − 3·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
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−18)
−3·I1 + 23·I2 = −18

Решите

Δ = (7)(23) − (−3)(−3) = 152
I1 = Δ1/Δ = 84/152 = 0,5526 A
I2 = Δ2/Δ = −108/152 = −0,7105 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 1,263 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,336 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​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​12 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 + 10(I1 − I2) = 24
15·I1 − 10·I2 = 24

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
20·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 40·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 18·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7500
I1 = Δ1/Δ = 13680/7500 = 1,824 A
I2 = Δ2/Δ = 2520/7500 = 0,336 A
I3 = Δ3/Δ = −3600/7500 = −0,48 A

Ответ

I2 = 0,336 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR4 = 6,328 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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​5 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 = 3+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
VA = 15·3,077/(20+3,077) = 2 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2·5/8 = 1,25 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,25 − 0)/5 = 0,25 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​5 ΩAR4​5 ΩBIs​1,5 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7 = 2,917 Ω
VB = Is·Req = 1,5·2,917 = 4,375 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,375·4/7 = 2,5 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (4,375 − 0)/5 = 0,875 A

Складываем вклады токов

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,25 + 0,875 = 1,125 A

Мощность в резисторе

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

PR4 = IR4²·R4 = 1,125²·5 = 6,328 W

Ответ

PR4 = 6,328 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 4,141 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,2834 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​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​5 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) = 5 ∥ 19 = 3,958 Ω
VA = 9·3,958/(30+3,958) = 1,049 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,049·4/19 = 0,2209 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,049 − 0)/5 = 0,2098 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​5 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 = 4,286 Ω, поэтому левый путь — R2+4,286 = 19,29 Ω
Req = R4 ∥ 19,29 = 3,313 Ω
VB = Is·Req = (−2)·3,313 = −6,626 V
VA = VB·4,286/19,29 = −1,472 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−1,472 − 0)/5 = −0,2945 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB+−V2​10 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 = 30·5/(30+5) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·19,29/23,29 = 8,282 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,282·4,286/19,29 = 1,84 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,84 − 0)/5 = 0,3681 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,2098 + (−0,2945) + 0,3681 = 0,2834 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 3 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​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​10 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​10 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) = 24·10/(5+10) = 16 V
IN​3 ARth​5,333 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 = 16/5,333 = 3 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = −18,8 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​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​8 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 6 = 7,6 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAIs​3 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 + (−3)·1,6 = −0,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8 + (−3)·6 = −18,8 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = 2,391 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) = 2,9·47/(10 + 47) = 2,391 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = 2,391 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,479 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 = 2,2 kΩ · 2,2 µF = 4,84 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −0,6/4,84 = −0,124 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −0,6·20/4,84 = −2,479 V

Ответ

Vout = −2,479 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 35,41 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1,5 A

Выразите время

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −22·ln(0,2) = 35,41 ms

Ответ

t = 35,41 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 168,6 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 20 + (8 − 20)·e−t/τ

Выразите время

12,8 = 20 + (−12)·e−t/τ → e−t/τ = (12,8 − 20)/(8 − 20) = 0,6
t = τ·ln((8 − 20)/(12,8 − 20)) = 330·ln(1,667) = 168,6 ms

Ответ

t = 168,6 ms

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