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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​20 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBR6​30 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBIs​5 A

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

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R4​ = 10 Ω+−V1​36 VR3​10 ΩAR5​4 ΩBIs​3 A+−V2​36 V

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.

V1 = 36 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 4 Ω
IR2 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I2 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR4​2 ΩAR5​10 ΩIR5​B+−V2​15 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR5 через R5 у напрямку стрілки.

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 ΩR5 = 10 Ω
IR5 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩIR2​AR4​10 ΩBIs​4 A

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

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 ΩIR4​+−V1​5 VR3​6 ΩAIs​2,5 AB+−V2​12 V

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 5 VIs = 2,5 AV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
PR4 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​2 ABRL​4 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​

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

R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = −2 VR = 1 kΩ

Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = −2 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 0,5 ms.

Vin = −2 VR = 1 kΩC = 0,47 µFVsat = ±12 Vt = 0,5 ms
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​20 Vt = 0R = 22 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 5 ms.

Vs = 20 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 VR1​ = 15 ΩR2​ = 20 Ωзамикається при t = 0L47 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 5 ms.

Vs = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 6,882 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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​20 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 2·32/(2+32) = 1,882 Ω
Req = R1 + 1,882 = 5 + 1,882 = 6,882 Ω

Відповідь

Req = 6,882 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 22,59 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​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBR6​30 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 = 6 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 12,86 Ω
R3 + 12,86 = 18,86 Ω
R2 ∥ 18,86 = 2,588 Ω
Req = R1 + 2,588 = 20 + 2,588 = 22,59 Ω

Відповідь

Req = 22,59 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 19,51 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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBIs​5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 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/8 + (VA − 15)/20 + (VA − VB)/3 = 0
0,5083·VA − 0,3333·VB = 0,75

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/6 + (VB − VA)/3 = 5
−0,3333·VA + 0,5·VB = 5

Розв’яжіть

Δ = (0,5083)(0,5) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1431
VA = Δ1/Δ = 2,042/0,1431 = 14,27 V
VB = Δ2/Δ = 2,792/0,1431 = 19,51 V

Відповідь

VB = 19,51 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR2 = −0,4417 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.

R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​36 VR3​10 ΩAR5​4 ΩBIs​3 A+−V2​36 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 36 V, V2 = 36 V). Невідомі: VA, VB.

ЗСК у вузлі A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/10 + (VA − 36)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0,3167·VA − 0,1667·VB = 1,8

ЗСК у вузлі B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/4 + (VB − VA)/6 + (VB − 36)/10 = 3
−0,1667·VA + 0,5167·VB = 6,6

Розв’яжіть

Δ = (0,3167)(0,5167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1358
VA = Δ1/Δ = 2,03/0,1358 = 14,94 V
VB = Δ2/Δ = 2,39/0,1358 = 17,6 V

Відповідь

IR2 = (VA − VB)/R2 = (14,94 − 17,6)/6 = −0,4417 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = 0,9873 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​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​6 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 18
11·I1 − 8·I2 = 18

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
5·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 13·I2 = −6

Розв’яжіть

Δ = (11)(13) − (−8)(−8) = 79
I1 = Δ1/Δ = 186/79 = 2,354 A
I2 = Δ2/Δ = 78/79 = 0,9873 A

Відповідь

I2 = 0,9873 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR5 = 0,6417 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​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR4​2 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 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
25·I1 + 2(I1 − I2) = 6
27·I1 − 2·I2 = 6

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
12·I2 + 2(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 24·I2 − 10·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 18·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8892
I1 = Δ1/Δ = 1692/8892 = 0,1903 A
I2 = Δ2/Δ = −3834/8892 = −0,4312 A
I3 = Δ3/Δ = −9540/8892 = −1,073 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 0,6417 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR2 = −1,802 A

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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​10 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 = 12+10 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·22/(3+22) = 2,64 Ω
VA = 10·2,64/(20+2,64) = 1,166 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,166·10/22 = 0,53 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 1,166)/3 = −0,3887 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​4 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 14,61 = 5,936 Ω
VB = Is·Req = 4·5,936 = 23,75 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 23,75·2,609/14,61 = 4,24 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 4,24)/3 = −1,413 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0,3887) + (−1,413) = −1,802 A

Від’ємний результат означає, що насправді струм тече проти стрілки.

8.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 0,7287 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​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​5 VR3​6 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) = 6 ∥ 9 = 3,6 Ω
VA = 5·3,6/(3+3,6) = 2,727 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,727·6/9 = 1,818 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,818 − 0)/6 = 0,303 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 ΩAIs​2,5 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.

R1 ∥ R3 = 2 Ω, тож лівий шлях — R2+2 = 5 Ω
Req = R4 ∥ 5 = 2,727 Ω
VB = Is·Req = 2,5·2,727 = 6,818 V
VA = VB·2/5 = 2,727 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (6,818 − 0)/6 = 1,136 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 ΩAОБРИВB+−V2​12 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·5/11 = 5,455 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,455·2/5 = 2,182 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (5,455 − 12)/6 = −1,091 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,303 + 1,136 + (−1,091) = 0,3485 A

Потужність у резисторі

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

PR4 = IR4²·R4 = 0,3485²·6 = 0,7287 W

Відповідь

PR4 = 0,7287 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 15,44 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 22,31 Ω

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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 20 = 22,31 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 1,486 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​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​4 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 5 = 7,667 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​2 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) = 2 + 2·2,667 = 7,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,333 + 2·5 = 17,33 V
Rth​ = 7,667 Ω+−Vth​17,33 VRL​4 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) = 17,33/(7,667 + 4) = 1,486 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 3,881 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 4,7/2 = 3,35

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

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

Відповідь

Vin,max = 3,881 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 2,128 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.

Вхідний струм і швидкість наростання

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

RC = 1 kΩ · 0,47 µF = 0,47 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−2)/0,47 = 4,255 V/ms

Вихідна напруга в заданий момент

Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2)·0,5/0,47 = 2,128 V

Відповідь

Vout = 2,128 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 6,657 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.

Стала часу і кінцевий струм

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

τ = L/R = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A

Напруга на котушці

У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−5/4,545 = 6,657 V

Відповідь

vL = 6,657 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,3537 A

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

До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.

i(0) = 6/(15 + 20) = 0,1714 A
i(∞) = 6/15 = 0,4 A
τ = L/R = 47/15 = 3,133 ms
i(t) = 0,4 + (0,1714 − 0,4)·e−t/τ

Струм у заданий момент

i(5) = 0,4 + (−0,2286)·e−5/3,133 = 0,3537 A

Відповідь

i = 0,3537 A

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