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​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​8 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 ΩR5 = 4 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

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

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩAR5​15 ΩBIs​0,5 A+−V2​36 V

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

V1 = 10 VIs = 0,5 AV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 8 Ω+−VR1​R2​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​20 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти напряжение VR1 на R1 с указанной полярностью.

V1 = 9 VV2 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
VR1 = V
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR4​12 ΩAR5​30 ΩIR5​B+−V2​12 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR5 через R5 в направлении стрелки.

V1 = 6 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 30 Ω
IR5 = 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 = 20 V и Is = 2 mA I = 30,5 mA; при Vs = 8 V и Is = 8 mA I = 14 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 12 V и Is = 4 mA.

20 V, 2 mA → 30,5 mA8 V, 8 mA → 14 mAVs = 12 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​9 VR3​2 ΩAIs​6 AB+−V2​5 V

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

V1 = 9 VIs = 6 AV2 = 5 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​0,5 ABRL​12 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 12 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩRL = 12 Ω
IL = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 3.

R1 = 4,7 kΩAv = 3
Rf = kΩ
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 10 kΩRf1​ = 100 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 4,7 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 = −0,4 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 10 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 10 kΩVin = −0,4 V
Vout = V
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 22 ΩL47 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

Vs = 5 VR = 22 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 24 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 200 ms.

Vs = 10 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 200 ms
vC = V

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,162 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​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 3·17/(3+17) = 2,55 Ω
Req = R1 + 2,55 = 15 + 2,55 = 17,55 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 24/17,55 = 1,368 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,368·15 = 3,487 V
IR2 = VA/R2 = 3,487/3 = 1,162 A

Ответ

IR2 = 1,162 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,404 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​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​15 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 3,84 Ω
Req = R1 + 3,84 = 12 + 3,84 = 15,84 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/15,84 = 0,6313 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,6313·12 = 2,424 V
IR2 = VA/R2 = 2,424/6 = 0,404 A

Ответ

IR2 = 0,404 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = 1,282 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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 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 − 18)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,4667·VA − 0,06667·VB = 6

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/15 = (−5)
−0,06667·VA + 0,5667·VB = −5

Решите

Δ = (0,4667)(0,5667) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,26
VA = Δ1/Δ = 3,067/0,26 = 11,79 V
VB = Δ2/Δ = −1,933/0,26 = −7,436 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (11,79 − −7,436)/15 = 1,282 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 22,7 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​ = 25 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩAR5​15 ΩBIs​0,5 A+−V2​36 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 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 − 10)/25 + (VA − VB)/8 = 0
0,265·VA − 0,125·VB = 0,4

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/15 + (VB − VA)/8 + (VB − 36)/4 = (−0,5)
−0,125·VA + 0,4417·VB = 8,5

Решите

Δ = (0,265)(0,4417) − (−0,125)(−0,125) = 0,1014
VA = Δ1/Δ = 1,239/0,1014 = 12,22 V
VB = Δ2/Δ = 2,302/0,1014 = 22,7 V

Ответ

VB = 22,7 V
5.Метод контурных токов

Ответ: VR1 = −2,25 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​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​20 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
8·I1 + 20(I1 − I2) = 9
28·I1 − 20·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
8·I2 + 20(I2 − I1) = (−18)
−20·I1 + 28·I2 = −18

Решите

Δ = (28)(28) − (−20)(−20) = 384
I1 = Δ1/Δ = −108/384 = −0,2813 A
I2 = Δ2/Δ = −324/384 = −0,8438 A

Ответ

IR1 = I1 = −0,2813 A
VR1 = IR1·R1 = −0,2813·8 = −2,25 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,214 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​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR4​12 ΩAR5​30 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
2·I1 + 12(I1 − I2) = 6
14·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 12(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 44·I2 − 30·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
10·I3 + 30(I3 − I2) = (−12)
−30·I2 + 40·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 6280
I1 = Δ1/Δ = 840/6280 = 0,1338 A
I2 = Δ2/Δ = −2160/6280 = −0,3439 A
I3 = Δ3/Δ = −3504/6280 = −0,558 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,214 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 19 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
20·k₁ + 2·k₂ = 30,5
8·k₁ + 8·k₂ = 14

Находим константы

Δ = (20)(8) − (2)(8) = 144
k₁ = Δ1/Δ = 216/144 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = 36/144 = 0,25
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = 0,25

Предсказываем новый ток

I = 1,5·12 + 0,25·4 = 19 mA

Ответ

I = 19 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −1,077 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​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​9 VR3​2 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) = 2 ∥ 34 = 1,889 Ω
VA = 9·1,889/(15+1,889) = 1,007 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,007·30/34 = 0,8882 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,8882 − 0)/30 = 0,02961 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​2 ΩAIs​6 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 = 1,765 Ω, поэтому левый путь — R2+1,765 = 5,765 Ω
Req = R4 ∥ 5,765 = 4,836 Ω
VB = Is·Req = (−6)·4,836 = −29,01 V
VA = VB·1,765/5,765 = −8,882 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−29,01 − 0)/30 = −0,9671 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​2 ΩAОБРЫВB+−V2​5 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 5·5,765/35,76 = 0,8059 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 0,8059·1,765/5,765 = 0,2467 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (0,8059 − 5)/30 = −0,1398 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,02961 + (−0,9671) + (−0,1398) = −1,077 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 2,105 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​ = 15 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​4 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 10 = 13,16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 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) = 10·4/(15+4) = 2,105 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,9615 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​ = 5 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 + 5 = 7,5 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​0,5 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) = 15 + 0,5·2,5 = 16,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,25 + 0,5·5 = 18,75 V
Rth​ = 7,5 Ω+−Vth​18,75 VRL​12 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) = 18,75/(7,5 + 12) = 0,9615 A
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 9,4 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 = (3 − 1)·4,7 = 9,4 kΩ

Ответ

Rf = 9,4 kΩ
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 12,51 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 = −100/10 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/4,7 = 3,128

Каскад за каскадом

V1 = −10·(−0,4) = 4 V
Vout = 3,128·4 = 12,51 V

Ответ

Vout = 12,51 V
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,9913 mJ

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 / 22 Ω = 2,136 ms
i(∞) = Vs/R = 5/22 = 0,2273 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,2273·(1 − e−5/2,136) = 0,2054 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·47·0,2054² = 0,9913 mJ

Ответ

W = 0,9913 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 20,43 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 10 + (24 − 10)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(200) = 10 + (14)·e−200/680 = 20,43 V

Ответ

vC = 20,43 V

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