Теорія електричних кіл 1: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 14 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Послідовні й паралельні резистори

Послідовне з’єднання резисторів
Req = R1 + R2 + …
Паралельне з’єднання резисторів
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два паралельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Потужність
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Почніть з кінця мережі, найдальшого від затискачів.
  2. Послідовні резистори об’єднуйте додаванням, паралельні — за 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Перемальовуйте коло після кожного кроку.
  4. Повторюйте, доки між затискачами не залишиться один резистор.

Метод вузлових потенціалів

Закон струмів Кірхгофа
ΣIin = ΣIout
Струм гілки
I = (Va − Vb)/R
Опорний вузол
Vground = 0

Метод

  1. Оберіть опорний вузол (землю) і позначте напруги інших вузлів.
  2. Запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла: струми, що витікають через гілки, дорівнюють струмам, що втікають.
  3. Виразіть кожен струм гілки як (Va − Vb)/R.
  4. Розв’яжіть систему рівнянь, потім знайдіть потрібний струм.

Метод контурних струмів

Закон напруг Кірхгофа
ΣV = 0 у кожному контурі
Спільний резистор
струм = I1 − I2
Джерело струму в контурі
задає струм цього контуру

Метод

  1. Задайте струм за годинниковою стрілкою в кожному контурі (вікні) кола.
  2. Застосуйте закон напруг Кірхгофа до кожного контуру: сума спадів напруги дорівнює нулю.
  3. У резисторі, спільному для двох контурів, струм дорівнює різниці двох контурних струмів.
  4. Розв’яжіть рівняння; від’ємний результат означає, що струм тече в протилежному напрямку.

Метод накладання

Метод накладання
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Вимкнене джерело напруги
коротке замикання (0 V)
Вимкнене джерело струму
розрив (0 A)
Подільник напруги
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Подільник струму
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Метод

  1. Порахуйте незалежні джерела. Для кожного джерела ви розв’яжете одне простіше коло.
  2. Залиште одне джерело й вимкніть інші: джерело напруги стає коротким замиканням (провідником), джерело струму — розривом.
  3. Розв’яжіть простіше коло щодо потрібної напруги чи струму, стежачи за напрямком.
  4. Повторіть для кожного джерела, потім додайте внески з урахуванням знаків.

Тевенен і Нортон

Напруга Тевенена
Vth = Vopen circuit
Опір Тевенена
Rth: усі джерела вимкнені, з боку a–b
Струм Нортона
IN = Vth/Rth
Струм навантаження
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальної потужності
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Від’єднайте навантаження й позначте два затискачі a і b.
  2. Знайдіть напругу холостого ходу між a і b: це Vth.
  3. Вимкніть усі незалежні джерела й знайдіть опір з боку a–b: це Rth.
  4. Поверніть навантаження до еквівалентної схеми: Vth послідовно з Rth.
  5. Для еквівалента Нортона перетворіть: IN = Vth/Rth, з паралельним RN = Rth.

Схеми з операційними підсилювачами

Інвертувальний підсилювач
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неінвертувальний підсилювач
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Сумувальний підсилювач
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ідеальний ОП
V+ = V−, Iin = 0

Перехідні процеси RC і RL

Стала часу
τ = RC | τ = L/R
Відгук
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постійному струмі
розрив; vC не може змінитися стрибком
Котушка на постійному струмі
коротке замикання; iL не може змінитися стрибком
Усталений режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Знайдіть початкове значення одразу після комутації: напруга на конденсаторі й струм через котушку не можуть змінитися стрибком.
  2. Знайдіть кінцеве значення через довгий час після комутації: конденсатор поводиться як розрив, котушка — як коротке замикання.
  3. Знайдіть сталу часу: τ = RC або τ = L/R, використовуючи опір з боку конденсатора чи котушки.
  4. Використайте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

2Задачі для практики

1.Послідовні й паралельні резисториСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​15 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAR4​10 ΩBR6​5 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 8 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​2,5 A

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти вузлову напругу VB (відносно землі).

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 29 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩVA = 29 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩIR2​+−V1​10 VR3​20 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.

V1 = 10 VV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R3​ = 20 Ω+−V1​30 VR4​20 ΩAR5​4 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 ΩR5 = 4 Ω
IR2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​5 Ω−+VR2​AR4​5 ΩBIs​5 A

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
VR2 = V
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​36 V

За методом накладання знайдіть потужність PR3, яку споживає R3.

V1 = 12 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
PR3 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩARL​3 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 3 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAIs​1,5 ABRL​25 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 25 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 100 kΩVin​R1​ = 2 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 2 kΩRf = 100 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −1,8 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,9 VR2​ = 1 kΩ

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = −1,8 VV2 = 0,9 VR1 = 100 kΩR2 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​12 Vt = 0R = 68 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 75% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 12 VR = 68 ΩL = 68 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​24 Vt = 0R = 6,8 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 30 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 500 ms.

Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 30 Vt = 500 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 15,91 Ω

Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.

R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​15 ΩB

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.

R3 + R4 = 3 + 15 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 5·18/(5+18) = 3,913 Ω
Req = R1 + 3,913 = 12 + 3,913 = 15,91 Ω

Відповідь

Req = 15,91 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 41,11 Ω

Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.

R1​ = 30 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAR4​10 ΩBR6​5 Ω

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.

R5 + R6 = 8 + 5 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 5,652 Ω
R3 + 5,652 = 17,65 Ω
R2 ∥ 17,65 = 11,11 Ω
Req = R1 + 11,11 = 30 + 11,11 = 41,11 Ω

Відповідь

Req = 41,11 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = −11,64 V

Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.

R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​2,5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 V). Невідомі: VA, VB.

ЗСК у вузлі A

Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/12 = 0
0,9167·VA − 0,08333·VB = 5

ЗСК у вузлі B

Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/12 = (−2,5)
−0,08333·VA + 0,1833·VB = −2,5

Розв’яжіть

Δ = (0,9167)(0,1833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1611
VA = Δ1/Δ = 0,7083/0,1611 = 4,397 V
VB = Δ2/Δ = −1,875/0,1611 = −11,64 V

Відповідь

VB = −11,64 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 3,893 A

Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.

ЗСК для вузла A

VA відоме, тож це рівняння дає VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(29 − 30)/20 + 29/20 = (VB − 29)/6
1,4 = (VB − 29)/6 → VB = 37,4 V

ЗСК для вузла B

Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (37,4 − 29)/6 + 37,4/15 = 3,893 A

Відповідь

Is = 3,893 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,09091 A

Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.

R1​ = 4 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​20 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Призначте контурні струми

У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.

ЗНК для контуру 1

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
4·I1 + 20(I1 − I2) = 10
24·I1 − 20·I2 = 10

ЗНК для контуру 2

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 20(I2 − I1) = (−10)
−20·I1 + 35·I2 = −10

Розв’яжіть

Δ = (24)(35) − (−20)(−20) = 440
I1 = Δ1/Δ = 150/440 = 0,3409 A
I2 = Δ2/Δ = −40/440 = −0,09091 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,09091 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = 1,527 A

Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.

R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR4​20 ΩAR5​4 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Призначте контурні струми

У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2, I3. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.

ЗНК для контуру 1

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 20(I1 − I2) = 30
28·I1 − 20·I2 = 30

ЗНК для контуру 2

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 20(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 28·I2 − 4·I3 = 0

ЗНК для контуру 3

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
20·I3 + 4(I3 − I2) = (−9)
−4·I2 + 24·I3 = −9

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8768
I1 = Δ1/Δ = 18960/8768 = 2,162 A
I2 = Δ2/Δ = 13392/8768 = 1,527 A
I3 = Δ3/Δ = −1056/8768 = −0,1204 A

Відповідь

IR2 = I2 = 1,527 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: VR2 = −16,82 V

Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.

R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBОБРИВ

Випадок 1 · діє лише V1

Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.

R3+R4 = 2+5 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·7/(5+7) = 2,917 Ω
VA = 30·2,917/(6+2,917) = 9,813 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,813·5/7 = 7,009 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 9,813 = −9,813 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​5 ΩAR4​5 ΩBIs​5 A

Випадок 2 · діє лише Is

V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ паралельний R₂. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ і шляхом через R₃.

R1 ∥ R2 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 4,727 = 2,43 Ω
VB = Is·Req = 5·2,43 = 12,15 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,15·2,727/4,727 = 7,009 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 7,009 = −7,009 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−9,813) + (−7,009) = −16,82 V

Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.

8.Метод накладання

Відповідь: PR3 = 3,472 W

Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.

R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩAОБРИВBКЗ

Випадок 1 · діє лише V1

V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 33 = 12,45 Ω
VA = 12·12,45/(12+12,45) = 6,111 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,111·8/33 = 1,481 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (6,111 − 0)/20 = 0,3056 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​20 ΩAIs​3 ABКЗ

Випадок 2 · діє лише Is

Обидва джерела напруги стають короткими замиканнями. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ (тепер до землі) і R₂, послідовним із R₁ ∥ R₃. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, тож лівий шлях — R2+7,5 = 32,5 Ω
Req = R4 ∥ 32,5 = 6,42 Ω
VB = −Is·Req = −3·6,42 = −19,26 V
VA = VB·7,5/32,5 = −4,444 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−4,444 − 0)/20 = −0,2222 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​20 ΩAОБРИВB+−V2​36 V

Випадок 3 · діє лише V2

V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.

R1 ∥ R3 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·32,5/40,5 = 28,89 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 28,89·7,5/32,5 = 6,667 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (6,667 − 0)/20 = 0,3333 A

Додайте внески струму

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,3056 + (−0,2222) + 0,3333 = 0,4167 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR3 = IR3²·R3 = 0,4167²·20 = 3,472 W

Відповідь

PR3 = 3,472 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 5,077 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,1515 A

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 6 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​2 ΩAabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 12 = 13,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·2/(6+2) = 2,5 V
Rth​ = 13,5 Ω+−Vth​2,5 VRL​3 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 2,5/(13,5 + 3) = 0,1515 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,7887 A

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​8 ΩAОБРИВBabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 20 = 25,71 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, Iₛ може текти лише через R₃ у вузол A. Знайдіть V_A накладанням V₁ та Iₛ, потім додайте спад на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1,429 + 1,5·5,714 = 10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10 + 1,5·20 = 40 V
Rth​ = 25,71 Ω+−Vth​40 VRL​25 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 40/(25,71 + 25) = 0,7887 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 0,26 V

Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.

Коефіцієнт підсилення

|Av| = Rf/R1 = 100/2 = 50

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/50 = 0,26 V

Відповідь

Vin,max = 0,26 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −8,82 V

Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.

Вхідні струми

V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.

I1 = V1/R1 = −1,8/100 = −0,018 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/1 = 0,9 mA
If = I1 + I2 = 0,882 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −10·0,882 = −8,82 V

Відповідь

Vout = −8,82 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 1,386 ms

Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.

Стала часу і кінцевий струм

Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.

τ = L/R = 68 mH / 68 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/68 = 0,1765 A

Виразіть час

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −1·ln(0,25) = 1,386 ms

Відповідь

t = 1,386 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 24,65 V

Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.

vC(0) = 30 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 33 µF = 224,4 ms
vC(t) = 24 + (30 − 24)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(500) = 24 + (6)·e−500/224,4 = 24,65 V

Відповідь

vC = 24,65 V

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