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​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 ΩR4 = 10 ΩR5 = 4 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

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

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​5 A+−V2​24 V

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

V1 = 15 VIs = 5 AV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩIR2​+−V1​15 VR3​3 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
IR2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR4​8 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

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

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​3 ΩIR3​AIs​5 AB−+V2​12 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​6 ABRL​15 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 15 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 10.

R1 = 10 kΩAv = 10
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 2 kΩRf1​ = 2 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 4,7 kΩRf2​ = 4,7 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 = 2 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 4,7 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 50% конечного значения? Найдите t.

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 300 ms.

Vs = 24 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 Vt = 300 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,155 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​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​20 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 = 5 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 15 + 7,879 = 22,88 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/22,88 = 0,3934 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,3934·15 = 3,099 V
IR2 = VA/R2 = 3,099/20 = 0,155 A

Ответ

IR2 = 0,155 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,2016 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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​10 ΩBR6​12 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 = 4 + 12 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,154 Ω
R3 + 6,154 = 36,15 Ω
R2 ∥ 36,15 = 6,551 Ω
Req = R1 + 6,551 = 30 + 6,551 = 36,55 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 9/36,55 = 0,2462 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,2462·30 = 1,613 V
IR2 = VA/R2 = 1,613/8 = 0,2016 A

Ответ

IR2 = 0,2016 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 26,92 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​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 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/20 + (VA − 30)/4 + (VA − VB)/6 = 0
0,4667·VA − 0,1667·VB = 7,5

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/6 = 2
−0,1667·VA + 0,2333·VB = 2

Решите

Δ = (0,4667)(0,2333) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,08111
VA = Δ1/Δ = 2,083/0,08111 = 25,68 V
VB = Δ2/Δ = 2,183/0,08111 = 26,92 V

Ответ

VB = 26,92 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = 0,619 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​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​5 A+−V2​24 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 V, V2 = 24 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/3 + (VA − 15)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,45·VA − 0,05·VB = 1

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/8 + (VB − VA)/20 + (VB − 24)/12 = (−5)
−0,05·VA + 0,2583·VB = −3

Решите

Δ = (0,45)(0,2583) − (−0,05)(−0,05) = 0,1137
VA = Δ1/Δ = 0,1083/0,1137 = 0,9524 V
VB = Δ2/Δ = −1,3/0,1137 = −11,43 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (0,9524 − −11,43)/20 = 0,619 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,9677 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​ = 2 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​15 VR3​3 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
2·I1 + 3(I1 − I2) = 15
5·I1 − 3·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 8·I2 = −15

Решите

Δ = (5)(8) − (−3)(−3) = 31
I1 = Δ1/Δ = 75/31 = 2,419 A
I2 = Δ2/Δ = −30/31 = −0,9677 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,9677 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −0,379 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​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR4​8 ΩAR5​15 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
10·I1 + 8(I1 − I2) = 10
18·I1 − 8·I2 = 10

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
10·I2 + 8(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 33·I2 − 15·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
2·I3 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 17·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4960
I1 = Δ1/Δ = 1920/4960 = 0,3871 A
I2 = Δ2/Δ = −1880/4960 = −0,379 A
I3 = Δ3/Δ = −5160/4960 = −1,04 A

Ответ

I2 = −0,379 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = −1,809 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​3 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 = 5+3 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
VA = 10·4,8/(2+4,8) = 7,059 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,059·3/8 = 2,647 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (2,647 − 7,059)/5 = −0,8824 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​12 ΩAR4​3 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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 6,714 = 2,074 Ω
VB = Is·Req = (−3)·2,074 = −6,221 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −6,221·1,714/6,714 = −1,588 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (−6,221 − −1,588)/5 = −0,9265 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,8824) + (−0,9265) = −1,809 A

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

8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 24,07 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​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​3 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) = 3 ∥ 23 = 2,654 Ω
VA = 6·2,654/(4+2,654) = 2,393 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,393·20/23 = 2,081 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (2,393 − 0)/3 = 0,7977 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​3 ΩAIs​5 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 = 1,714 Ω, поэтому левый путь — R2+1,714 = 4,714 Ω
Req = R4 ∥ 4,714 = 3,815 Ω
VB = Is·Req = 5·3,815 = 19,08 V
VA = VB·1,714/4,714 = 6,936 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (6,936 − 0)/3 = 2,312 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​3 ΩAОБРЫВB−+V2​12 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·4,714/24,71 = −2,289 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,289·1,714/4,714 = −0,8324 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−0,8324 − 0)/3 = −0,2775 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,7977 + 2,312 + (−0,2775) = 2,832 A

Мощность в резисторе

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

PR3 = IR3²·R3 = 2,832²·3 = 24,07 W

Ответ

PR3 = 24,07 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 18,18 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 17 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​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​6 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 15 = 17 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 2,949 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​ = 6 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 = 5·30/(5+30) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 6 = 10,29 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​30 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) = 12,86 + 6·4,286 = 38,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 38,57 + 6·6 = 74,57 V
Rth​ = 10,29 Ω+−Vth​74,57 VRL​15 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) = 74,57/(10,29 + 15) = 2,949 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 90 kΩ

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 неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (10 − 1)·10 = 90 kΩ

Ответ

Rf = 90 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Av = −2

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 = −2/2 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/4,7 = 2

Общий коэффициент усиления

Av = A1·A2 = −1·2 = −2

Ответ

Av = −2
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 3,258 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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A

Выразите время

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −4,7·ln(0,5) = 3,258 ms

Ответ

t = 3,258 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 12,15 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 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 = 24 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 24 + (8 − 24)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(300) = 24 + (−16)·e−300/1000 = 12,15 V

Ответ

vC = 12,15 V

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