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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​15 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 ΩR5 = 2 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​18 VR3​10 ΩAR5​12 ΩBIs​2 A+−V2​36 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 18 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 12 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 8 ΩR2​ = 12 Ω+−VR2​+−V1​18 VR3​10 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
VR2 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 30 ΩIR3​+−V1​36 VR4​6 ΩAR5​5 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 Ω
IR3 = A
7.Метод наложенияСредняя
линейная цепьVs​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 6 V и Is = 1 mA I = 8,75 mA; при Vs = 2 V и Is = 2 mA I = 2,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 1 mA.

6 V, 1 mA → 8,75 mA2 V, 2 mA → 2,5 mAVs = 5 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩIR3​AIs​5 AB−+V2​24 V

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

V1 = 18 VIs = 5 AV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAIs​1,5 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = 2,2 VR = 22 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 = 2,2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.

Vin = 2,2 VR = 22 kΩC = 0,47 µFVsat = ±13 Vt = 20 ms
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 3,3 kΩC100 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 250 ms.

Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 100 µFt = 250 ms
vC = V
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 1 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 3,16 V, ровно через 200 ms после старта. При R = 1 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 5 VVth = 3,16 VT = 200 msR = 1 kΩ
C = µF

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3448 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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​20 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 20·40/(20+40) = 13,33 Ω
Req = R1 + 13,33 = 6 + 13,33 = 19,33 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/19,33 = 0,5172 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,5172·6 = 6,897 V
IR2 = VA/R2 = 6,897/20 = 0,3448 A

Ответ

IR2 = 0,3448 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,594 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​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​15 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 4,435 Ω
R3 + 4,435 = 16,43 Ω
R2 ∥ 16,43 = 1,783 Ω
Req = R1 + 1,783 = 4 + 1,783 = 5,783 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/5,783 = 2,594 A

Ответ

IR1 = 2,594 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = −6,145 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​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 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/5 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/6 = 0
0,45·VA − 0,1667·VB = 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/10 + (VB − VA)/6 = (−2)
−0,1667·VA + 0,2667·VB = −2

Решите

Δ = (0,45)(0,2667) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,09222
VA = Δ1/Δ = 0,2/0,09222 = 2,169 V
VB = Δ2/Δ = −0,5667/0,09222 = −6,145 V

Ответ

VB = −6,145 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −0,7206 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​ = 4 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​10 ΩAR5​12 ΩBIs​2 A+−V2​36 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 V, V2 = 36 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/10 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/30 = 0
0,3833·VA − 0,03333·VB = 4,5

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)/30 + (VB − 36)/12 = 2
−0,03333·VA + 0,2·VB = 5

Решите

Δ = (0,3833)(0,2) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,07556
VA = Δ1/Δ = 1,067/0,07556 = 14,12 V
VB = Δ2/Δ = 2,067/0,07556 = 27,35 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (27,35 − 36)/12 = −0,7206 A
5.Метод контурных токов

Ответ: VR2 = −14,59 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​ = 8 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​10 ΩA+−V2​30 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 18
18·I1 − 10·I2 = 18

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 + 10(I2 − I1) = (−30)
−10·I1 + 22·I2 = −30

Решите

Δ = (18)(22) − (−10)(−10) = 296
I1 = Δ1/Δ = 96/296 = 0,3243 A
I2 = Δ2/Δ = −360/296 = −1,216 A

Ответ

IR2 = I2 = −1,216 A
VR2 = IR2·R2 = −1,216·12 = −14,59 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = −0,09302 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​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR4​6 ΩAR5​5 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
6·I1 + 6(I1 − I2) = 36
12·I1 − 6·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
5·I2 + 6(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 16·I2 − 5·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
30·I3 + 5(I3 − I2) = (−10)
−5·I2 + 35·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5160
I1 = Δ1/Δ = 18960/5160 = 3,674 A
I2 = Δ2/Δ = 6960/5160 = 1,349 A
I3 = Δ3/Δ = −480/5160 = −0,09302 A

Ответ

IR3 = I3 = −0,09302 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 7,25 mA

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.

Записываем отклик как сумму вкладов

Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.

I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 1·k₂ = 8,75
2·k₁ + 2·k₂ = 2,5

Находим константы

Δ = (6)(2) − (1)(2) = 10
k₁ = Δ1/Δ = 15/10 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −2,5/10 = −0,25
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,25

Предсказываем новый ток

I = 1,5·5 + (−0,25)·1 = 7,25 mA

Ответ

I = 7,25 mA
8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 37,09 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​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​8 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) = 8 ∥ 30 = 6,316 Ω
VA = 18·6,316/(4+6,316) = 11,02 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,02·20/30 = 7,347 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (11,02 − 0)/8 = 1,378 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​8 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 = 2,667 Ω, поэтому левый путь — R2+2,667 = 12,67 Ω
Req = R4 ∥ 12,67 = 7,755 Ω
VB = Is·Req = 5·7,755 = 38,78 V
VA = VB·2,667/12,67 = 8,163 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (8,163 − 0)/8 = 1,02 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·12,67/32,67 = −9,306 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −9,306·2,667/12,67 = −1,959 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,959 − 0)/8 = −0,2449 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 1,378 + 1,02 + (−0,2449) = 2,153 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 = 2,153²·8 = 37,09 W

Ответ

PR3 = 37,09 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 23,99 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 4 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​ = 8 ΩКЗR2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​20 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) = 6·20/(10+20) = 4 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 18,75 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​ = 5 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​5 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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 6 = 8,5 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​5 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) = 6 + 1,5·2,5 = 9,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,75 + 1,5·6 = 18,75 V
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 3,881 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.

Коэффициент усиления

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 4,7/2 = 3,35

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3,35 = 3,881 V

Ответ

Vin,max = 3,881 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −4,255 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 = 22 kΩ · 0,47 µF = 10,34 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −2,2/10,34 = −0,2128 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −2,2·20/10,34 = −4,255 V

Ответ

Vout = −4,255 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 2,989 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

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

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·3,3/(4,7 + 3,3) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 10·3,3/(4,7 + 3,3) = 4,125 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,939·100 = 193,9 ms

Кривая заряда

vC(t) = 4,125·(1 − e−250/193,9) = 2,989 V

Ответ

vC = 2,989 V
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 200,1 µF

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.

Требуемая постоянная времени

3,16 = 5·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(5/(5 − 3,16))
τ = 200/0,9997 = 200,1 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 200,1/1 = 200,1 µF

Ответ

C = 200,1 µF

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