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​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

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

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 3,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩVA = 3,5 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​6 ΩIR3​A+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR4​15 ΩAR5​4 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 ΩR5 = 4 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBIs​3 A

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

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​30 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​?

Найдите значение источника напряжения V2 (полярность как на схеме), при котором ток IR3 через R3 равен нулю.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAIs​5 ABRL​10 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 10 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
PL = W
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 1 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 = 1 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 1,4 VR = 22 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 1,4 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.

Vin = 1,4 VR = 22 kΩC = 2,2 µFVsat = ±12 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 47 ΩL22 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 10 VR = 47 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 5,69 V, ровно через 250 ms после старта. При R = 22 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 250 msR = 22 kΩ
C = µF

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 19,12 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​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​5 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 10·7/(10+7) = 4,118 Ω
Req = R1 + 4,118 = 15 + 4,118 = 19,12 Ω

Ответ

Req = 19,12 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,2975 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​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBR6​2 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 3,231 Ω
R3 + 3,231 = 33,23 Ω
R2 ∥ 33,23 = 10,33 Ω
Req = R1 + 10,33 = 30 + 10,33 = 40,33 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/40,33 = 0,2975 A

Ответ

IR1 = 0,2975 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = −0,339 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​10 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 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 − 10)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,6·VA − 0,06667·VB = 3,333

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/15 = 5
−0,06667·VA + 0,1167·VB = 5

Решите

Δ = (0,6)(0,1167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,06556
VA = Δ1/Δ = 0,7222/0,06556 = 11,02 V
VB = Δ2/Δ = 3,222/0,06556 = 49,15 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 11,02)/3 = −0,339 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 0,2942 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

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(3,5 − 6)/30 + 3,5/20 = (VB − 3,5)/6
0,09167 = (VB − 3,5)/6 → VB = 4,05 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (4,05 − 3,5)/6 + 4,05/20 = 0,2942 A

Ответ

Is = 0,2942 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 2,538 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​ = 4 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​6 ΩA+−V2​6 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
4·I1 + 6(I1 − I2) = 30
10·I1 − 6·I2 = 30

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 + 6(I2 − I1) = (−6)
−6·I1 + 14·I2 = −6

Решите

Δ = (10)(14) − (−6)(−6) = 104
I1 = Δ1/Δ = 384/104 = 3,692 A
I2 = Δ2/Δ = 120/104 = 1,154 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 2,538 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 1 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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR4​15 ΩAR5​4 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 + 15(I1 − I2) = 15
21·I1 − 15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 15(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 34·I2 − 4·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
20·I3 + 4(I3 − I2) = (−10)
−4·I2 + 24·I3 = −10

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 11400
I1 = Δ1/Δ = 11400/11400 = 1 A
I2 = Δ2/Δ = 4560/11400 = 0,4 A
I3 = Δ3/Δ = −3990/11400 = −0,35 A

Ответ

IR1 = I1 = 1 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = −0,1506 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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​8 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 = 10+8 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·18/(20+18) = 9,474 Ω
VA = 10·9,474/(8+9,474) = 5,422 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,422·8/18 = 2,41 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (10 − 5,422)/8 = 0,5723 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​20 ΩAR4​8 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 15,71 = 5,301 Ω
VB = Is·Req = 3·5,301 = 15,9 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,9·5,714/15,71 = 5,783 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5,783)/8 = −0,7229 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,5723 + (−0,7229) = −0,1506 A

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

8.Метод наложения

Ответ: V2 = 23,4 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​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​30 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) = 30 ∥ 27 = 14,21 Ω
VA = 12·14,21/(15+14,21) = 5,838 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,838·15/27 = 3,243 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​30 ΩAIs​3 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R3 = 10 Ω, поэтому левый путь — R2+10 = 22 Ω
Req = R4 ∥ 22 = 8,919 Ω
VB = −Is·Req = −3·8,919 = −26,76 V
VA = VB·10/22 = −12,16 V

Случай 3 · действует только V2, на один вольт

V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.

R1 ∥ R3 = 10 Ω
VA‴ = V2·10/(15 + 12 + 10) = 0,2703·V2

Приравниваем VA к нулю

При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 5,838 + (−12,16) + 0,2703·V2 = 0
V2 = 6,324/0,2703 = 23,4 V

Ответ

V2 = 23,4 V
9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,72 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​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​15 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 10 = 13,16 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​15 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) = 12·15/(4+15) = 9,474 V
IN​0,72 ARth​13,16 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 9,474/13,16 = 0,72 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 102,4 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​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 5 = 15 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAIs​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) = 5 + 5·10 = 55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 55 + 5·5 = 80 V
Rth​ = 15 Ω+−Vth​80 VRL​10 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) = 80/(15 + 10) = 3,2 A
PL = IL²·RL = 3,2²·10 = 102,4 W
11.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 0,2708 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 + 47/1 = 48

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/48 = 0,2708 V

Ответ

Vin,max = 0,2708 V
12.Схемы на операционных усилителях

Ответ: t = 414,9 ms

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 · 2,2 µF = 48,4 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −1,4/48,4 = −0,02893 V/ms

Время до насыщения

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·48,4/1,4 = 414,9 ms

Ответ

t = 414,9 ms
13.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 0,498 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 = 22 mH / 47 Ω = 0,4681 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0,2128 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·0,2128² = 0,498 mJ

Ответ

W(∞) = 0,498 mJ
14.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 11,36 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

5,69 = 9·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(9/(9 − 5,69))
τ = 250/1 = 249,9 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 249,9/22 = 11,36 µF

Ответ

C = 11,36 µF

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