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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​2 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBR6​20 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 8 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​20 Ω−+V1​10 VR2​15 Ω+−V2​18 VR3​20 Ω+−V3​10 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 = 10 VR1 = 20 ΩV2 = 18 VR2 = 15 ΩV3 = 10 VR3 = 20 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​30 VR3​2 ΩAR5​8 ΩBIs​3 A−+V2​12 V

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

V1 = 30 VIs = 3 AV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR4​6 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 Ω
IR1 = 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 = 12 V и Is = 8 mA I = 2,4 mA; при Vs = 5 V и Is = 5 mA I = 0,5 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 5 V и Is = 10 mA.

12 V, 8 mA → 2,4 mA5 V, 5 mA → 0,5 mAVs = 5 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩIR2​R4​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩAIs​1,5 AB+−V2​12 V

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

V1 = 24 VIs = 1,5 AV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩARL​4 ΩIL​B

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

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABRL​2 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩRL = 2 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −5 VRa​ = 10 kΩRb​ = 1 kΩ

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

Vin = −5 VRa = 10 kΩRb = 1 kΩR1 = 1 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 10 kΩRf1​ = 22 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 22 kΩRf2​ = 10 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. Входное напряжение Vin = −0,3 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 10 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 10 kΩVin = −0,3 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​12 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 2,2 kΩC100 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.

Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 2,2 kΩC = 100 µF
τ = ms
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 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 8,5 V? Найдите t.

Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 8 V
t = ms

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 8,444 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​2 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 4 + 4,444 = 8,444 Ω

Ответ

Req = 8,444 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,4599 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​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBR6​20 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 3,5 Ω
R3 + 3,5 = 11,5 Ω
R2 ∥ 11,5 = 5,872 Ω
Req = R1 + 5,872 = 5 + 5,872 = 10,87 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 5/10,87 = 0,4599 A

Ответ

IR1 = 0,4599 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I3 = 0,14 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 − (−10))/20 + (VA − 18)/15 + (VA − 10)/20 = 0

Находим VA

VA = ((−10)/20 + 18/15 + 10/20) / (1/20 + 1/15 + 1/20) = 1,2/0,1667 = 7,2 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I3 = (10 − VA)/R3 = (10 − 7,2)/20 = 0,14 A

Ответ

I3 = 0,14 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 0,9231 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​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​30 VR3​2 ΩAR5​8 ΩBIs​3 A−+V2​12 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 V, V2 = −12 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/2 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/5 = 0
1,2·VA − 0,2·VB = 15

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)/5 + (VB − (−12))/30 = 3
−0,2·VA + 0,3583·VB = 2,6

Решите

Δ = (1,2)(0,3583) − (−0,2)(−0,2) = 0,39
VA = Δ1/Δ = 5,895/0,39 = 15,12 V
VB = Δ2/Δ = 6,12/0,39 = 15,69 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (15,69 − −12)/30 = 0,9231 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −1,867 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​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩA+−V2​24 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
3·I1 + 15(I1 − I2) = 12
18·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 15(I2 − I1) = (−24)
−15·I1 + 20·I2 = −24

Решите

Δ = (18)(20) − (−15)(−15) = 135
I1 = Δ1/Δ = −120/135 = −0,8889 A
I2 = Δ2/Δ = −252/135 = −1,867 A

Ответ

I2 = −1,867 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,8333 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​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR4​6 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 9
9·I1 − 6·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 6(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 25·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
6·I3 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 21·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1944
I1 = Δ1/Δ = 1620/1944 = 0,8333 A
I2 = Δ2/Δ = −486/1944 = −0,25 A
I3 = Δ3/Δ = −1458/1944 = −0,75 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,8333 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = −1 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
12·k₁ + 8·k₂ = 2,4
5·k₁ + 5·k₂ = 0,5

Находим константы

Δ = (12)(5) − (8)(5) = 20
k₁ = Δ1/Δ = 8/20 = 0,4
k₂ = Δ2/Δ = −6/20 = −0,3
k₁ = 0,4 mA/V, k₂ = −0,3

Предсказываем новый ток

I = 0,4·5 + (−0,3)·10 = −1 mA

Ответ

I = −1 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR2 = 0,3117 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​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​24 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 ∥ 13 = 2,438 Ω
VA = 24·2,438/(12+2,438) = 4,052 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,052·8/13 = 2,494 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (4,052 − 2,494)/5 = 0,3117 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​3 ΩAIs​1,5 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 = 2,4 Ω, поэтому левый путь — R2+2,4 = 7,4 Ω
Req = R4 ∥ 7,4 = 3,844 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·3,844 = −5,766 V
VA = VB·2,4/7,4 = −1,87 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (−1,87 − −5,766)/5 = 0,7792 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·7,4/15,4 = 5,766 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,766·2,4/7,4 = 1,87 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (1,87 − 5,766)/5 = −0,7792 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,3117 + 0,7792 + (−0,7792) = 0,3117 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,4528 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​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​8 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 5 = 6,6 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​8 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) = 6·8/(2+8) = 4,8 V
Rth​ = 6,6 Ω+−Vth​4,8 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) = 4,8/(6,6 + 4) = 0,4528 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 13,54 W

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​ = 25 ΩКЗR2​25 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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 25 = 27,68 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​2,5 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) = 8,036 + 2,5·2,679 = 14,73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,73 + 2,5·25 = 77,23 V
Rth​ = 27,68 Ω+−Vth​77,23 VRL​2 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) = 77,23/(27,68 + 2) = 2,602 A
PL = IL²·RL = 2,602²·2 = 13,54 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −10,45 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) = −5·1/(10 + 1) = −0,4545 V

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −0,4545·(1 + 22/1) = −10,45 V

Ответ

Vout = −10,45 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,96 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 каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −22/10 = −2,2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/22 = 1,455

Каскад за каскадом

V1 = −2,2·(−0,3) = 0,66 V
Vout = 1,455·0,66 = 0,96 V

Ответ

Vout = 0,96 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: τ = 180,3 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

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

Rth = R1 ∥ R2 = 10·2,2/(10 + 2,2) = 1,803 kΩ
vC(∞) = 12·2,2/(10 + 2,2) = 2,164 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 1,803·100 = 180,3 ms

Ответ

τ = 180,3 ms
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 75,48 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 = 9 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 9 + (8 − 9)·e−t/τ

Выразите время

8,5 = 9 + (−1)·e−t/τ → e−t/τ = (8,5 − 9)/(8 − 9) = 0,5
t = τ·ln((8 − 9)/(8,5 − 9)) = 108,9·ln(2) = 75,48 ms

Ответ

t = 75,48 ms

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