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​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​8 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​6 Ω+−V1​18 VR2​12 Ω+−V2​9 VR3​4 Ω+−V3​6 VI3​A

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩV2 = 9 VR2 = 12 ΩV3 = 6 VR3 = 4 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩIR1​R2​ = 8 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​25 ΩAR5​30 ΩBIs​5 A−+V2​30 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩIR3​A+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR4​15 Ω+−VR4​AR5​6 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 12 VV2 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 6 Ω
VR4 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​12 Ω+−VR3​AIs​2 AB+−V2​18 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.

V1 = 12 VIs = 2 AV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩARL​4 ΩIL​B

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

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​3 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 0,5 VRa​ = 10 kΩRb​ = 22 kΩ

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

Vin = 0,5 VRa = 10 kΩRb = 22 kΩR1 = 1 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = 1,7 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,7 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = 1,7 VV2 = 0,7 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 100 Ωt = 0L68 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vR = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vразмыкается при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 4,7 kΩC100 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.

Vs = 9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µFt = 400 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,4906 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​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​20 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 = 6 + 20 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 6·26/(6+26) = 4,875 Ω
Req = R1 + 4,875 = 15 + 4,875 = 19,88 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/19,88 = 0,6038 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,6038·15 = 2,943 V
IR2 = VA/R2 = 2,943/6 = 0,4906 A

Ответ

IR2 = 0,4906 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1424 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​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBR6​8 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 = 25 + 8 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 1,886 Ω
R3 + 1,886 = 9,886 Ω
R2 ∥ 9,886 = 6,616 Ω
Req = R1 + 6,616 = 5 + 6,616 = 11,62 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 5/11,62 = 0,4305 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,4305·5 = 2,848 V
IR2 = VA/R2 = 2,848/20 = 0,1424 A

Ответ

IR2 = 0,1424 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I3 = −1,125 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 − 18)/6 + (VA − 9)/12 + (VA − 6)/4 = 0

Находим VA

VA = (18/6 + 9/12 + 6/4) / (1/6 + 1/12 + 1/4) = 5,25/0,5 = 10,5 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I3 = (6 − VA)/R3 = (6 − 10,5)/4 = −1,125 A

Ответ

I3 = −1,125 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = −0,3226 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​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​6 VR3​25 ΩAR5​30 ΩBIs​5 A−+V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = −30 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 − 6)/25 + (VA − VB)/8 = 0
0,205·VA − 0,125·VB = 0,24

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/30 + (VB − VA)/8 + (VB − (−30))/15 = 5
−0,125·VA + 0,225·VB = 3

Решите

Δ = (0,205)(0,225) − (−0,125)(−0,125) = 0,0305
VA = Δ1/Δ = 0,429/0,0305 = 14,07 V
VB = Δ2/Δ = 0,645/0,0305 = 21,15 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 14,07)/25 = −0,3226 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 1,145 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​12 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 + 2(I1 − I2) = 9
22·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 2(I2 − I1) = (−12)
−2·I1 + 14·I2 = −12

Решите

Δ = (22)(14) − (−2)(−2) = 304
I1 = Δ1/Δ = 102/304 = 0,3355 A
I2 = Δ2/Δ = −246/304 = −0,8092 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 1,145 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR4 = 4,32 V

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​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR4​15 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 + 15(I1 − I2) = 12
35·I1 − 15·I2 = 12

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 + 15(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 41·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
25·I3 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 31·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 36250
I1 = Δ1/Δ = 13920/36250 = 0,384 A
I2 = Δ2/Δ = 3480/36250 = 0,096 A
I3 = Δ3/Δ = −11020/36250 = −0,304 A

Ответ

IR4 = I1 − I2 = 0,288 A
VR4 = IR4·R4 = 0,288·15 = 4,32 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 0,7857 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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​20 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 = 20+20 = 40 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·40/(3+40) = 2,791 Ω
VA = 9·2,791/(6+2,791) = 2,857 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,857·20/40 = 1,429 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 2,857)/6 = 1,024 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​3 ΩAR4​20 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 22 = 10,48 Ω
VB = Is·Req = 1,5·10,48 = 15,71 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,71·2/22 = 1,429 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,429)/6 = −0,2381 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,024 + (−0,2381) = 0,7857 A

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

8.Метод наложения

Ответ: VR3 = 14,21 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​ = 12 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​12 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 ∥ 32 = 8,727 Ω
VA = 12·8,727/(12+8,727) = 5,053 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,053·20/32 = 3,158 V
VR3′ = VA − 0 = 5,053 − 0 = 5,053 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​12 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 = 6 Ω, поэтому левый путь — R2+6 = 18 Ω
Req = R4 ∥ 18 = 9,474 Ω
VB = Is·Req = 2·9,474 = 18,95 V
VA = VB·6/18 = 6,316 V
VR3″ = VA − 0 = 6,316 − 0 = 6,316 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 20 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·18/38 = 8,526 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,526·6/18 = 2,842 V
VR3‴ = VA − 0 = 2,842 − 0 = 2,842 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 5,053 + 6,316 + 2,842 = 14,21 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,4545 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​ = 3 ΩR3​ = 20 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 20 = 22,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 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) = 15·12/(3+12) = 12 V
Rth​ = 22,4 Ω+−Vth​12 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) = 12/(22,4 + 4) = 0,4545 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 69,75 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​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​30 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 12 = 19,5 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​30 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) = 11,25 + 3·7,5 = 33,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,75 + 3·12 = 69,75 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 7,906 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 входе +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 0,5·22/(10 + 22) = 0,3438 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,3438·(1 + 22/1) = 7,906 V

Ответ

Vout = 7,906 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −4,882 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 = 1,7/100 = 0,017 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/22 = 0,03182 mA
If = I1 + I2 = 0,04882 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −100·0,04882 = −4,882 V

Ответ

Vout = −4,882 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vR = 45,96 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

τ = L/R = 68 mH / 100 Ω = 0,68 ms

Убывание тока

i(t) = 2·e−1/0,68 = 0,4596 A
vR = R·i = 100·0,4596 = 45,96 V

Ответ

vR = 45,96 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 1,921 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.

Начальное напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 9·4,7/(4,7 + 4,7) = 4,5 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 4,7·100 = 470 ms

Разряд

vC(t) = 4,5·e−400/470 = 1,921 V

Ответ

vC = 1,921 V

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