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​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​2 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​8 ΩBR6​3 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 2 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 5 VIx​Is​1,5 AAR1​5 ΩR2​5 ΩB

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.

Is = 1,5 AVs = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 5 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​5 VR3​3 ΩAR5​15 ΩBIs​0,5 A+−V2​12 V

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 5 VIs = 0,5 AV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−VR3​+−V1​24 VR4​2 ΩAR5​4 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR3 на R3 з указаною полярністю.

V1 = 24 VV2 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 ΩR5 = 4 Ω
VR3 = V
7.Метод накладанняСередня
лінійне колоVs​Is​IRL​

Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 12 V і Is = 6 mA I = 3 mA; при Vs = 5 V і Is = 6 mA I = −0,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 15 V і Is = 1 mA.

12 V, 6 mA → 3 mA5 V, 6 mA → −0,5 mAVs = 15 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​30 V

За методом накладання знайдіть потужність PR3, яку споживає R3.

V1 = 18 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 Ω
PR3 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​1 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 8.

R1 = 100 kΩAv = 8
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 1,3 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,9 VR3​ = 22 kΩR4​ = 100 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 1,3 VV2 = 0,9 VR1 = 100 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 22 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL33 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 3 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 3,9 V? Знайдіть t.

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 3 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 25,45 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​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​2 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Req = R1 + 5,455 = 20 + 5,455 = 25,45 Ω

Відповідь

Req = 25,45 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 16,11 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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​8 ΩBR6​3 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 3,077 Ω
R3 + 3,077 = 13,08 Ω
R2 ∥ 13,08 = 4,113 Ω
Req = R1 + 4,113 = 12 + 4,113 = 16,11 Ω

Відповідь

Req = 16,11 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Ix = 1,25 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.

Утворіть надвузол

Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.

VB = VA + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/5 + (VA + 5)/5 = 1,5
VA = (1,5 − 5/5)/(1/5 + 1/5) = 1,25 V
VB = 1,25 + 5 = 6,25 V

Струм через джерело напруги

Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.

Ix = VB/R2 = 6,25/5 = 1,25 A

Відповідь

Ix = 1,25 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 0,2407 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​ = 6 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​5 VR3​3 ΩAR5​15 ΩBIs​0,5 A+−V2​12 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 5 V, V2 = 12 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/3 + (VA − 5)/6 + (VA − VB)/4 = 0
0,75·VA − 0,25·VB = 0,8333

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/15 + (VB − VA)/4 + (VB − 12)/5 = 0,5
−0,25·VA + 0,5167·VB = 2,9

Розв’яжіть

Δ = (0,75)(0,5167) − (−0,25)(−0,25) = 0,325
VA = Δ1/Δ = 1,156/0,325 = 3,556 V
VB = Δ2/Δ = 2,383/0,325 = 7,333 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 3,556)/6 = 0,2407 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,2105 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​8 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 12
16·I1 − 8·I2 = 12

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 + 8(I2 − I1) = (−10)
−8·I1 + 23·I2 = −10

Розв’яжіть

Δ = (16)(23) − (−8)(−8) = 304
I1 = Δ1/Δ = 196/304 = 0,6447 A
I2 = Δ2/Δ = −64/304 = −0,2105 A

Відповідь

I2 = −0,2105 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR3 = −5,634 V

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​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR4​2 ΩAR5​4 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
15·I1 + 2(I1 − I2) = 24
17·I1 − 2·I2 = 24

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) + 4(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 18·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
2·I3 + 4(I3 − I2) = (−15)
−4·I2 + 6·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1540
I1 = Δ1/Δ = 2088/1540 = 1,356 A
I2 = Δ2/Δ = −732/1540 = −0,4753 A
I3 = Δ3/Δ = −4338/1540 = −2,817 A

Відповідь

IR3 = I3 = −2,817 A
VR3 = IR3·R3 = −2,817·2 = −5,634 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 7 mA

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.

Запишіть відгук як суму внесків

Кожен внесок пропорційний своєму джерелу з коефіцієнтом, що залежить лише від резисторів.

I = k₁·Vs + k₂·Is
12·k₁ + 6·k₂ = 3
5·k₁ + 6·k₂ = −0,5

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (12)(6) − (6)(5) = 42
k₁ = Δ1/Δ = 21/42 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = −21/42 = −0,5
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = −0,5

Обчисліть новий струм

I = 0,5·15 + (−0,5)·1 = 7 mA

Відповідь

I = 7 mA
8.Метод накладання

Відповідь: PR3 = 21,02 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​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 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 = 18·12,45/(4+12,45) = 13,62 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,62·30/33 = 12,39 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (13,62 − 0)/20 = 0,6812 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​20 ΩAIs​1,5 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 = 3,333 Ω, тож лівий шлях — R2+3,333 = 6,333 Ω
Req = R4 ∥ 6,333 = 5,229 Ω
VB = Is·Req = 1,5·5,229 = 7,844 V
VA = VB·3,333/6,333 = 4,128 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (4,128 − 0)/20 = 0,2064 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​20 ΩAОБРИВB+−V2​30 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·6,333/36,33 = 5,229 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,229·3,333/6,333 = 2,752 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (2,752 − 0)/20 = 0,1376 A

Додайте внески струму

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,6812 + 0,2064 + 0,1376 = 1,025 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 = 1,025²·20 = 21,02 W

Відповідь

PR3 = 21,02 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 10,51 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 17,14 V

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​ = 15 ΩКЗR2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 15 = 16,71 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​4 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) = 30·4/(3+4) = 17,14 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = −13,57 V

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​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​10 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 15 = 17,86 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​1 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) = 4,286 + (−1)·2,857 = 1,429 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 1,429 + (−1)·15 = −13,57 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 700 kΩ

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 неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (8 − 1)·100 = 700 kΩ

Відповідь

Rf = 700 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,7113 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.

Напруга на вході +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,9·100/(22 + 100) = 0,7377 V

Накладіть дію двох входів

При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.

Vout = −(4,7/100)·1,3 + (1 + 4,7/100)·0,7377 = −0,0611 + 0,7724 = 0,7113 V

Відповідь

Vout = 0,7113 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,1454 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.

Стала часу і кінцевий струм

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

τ = L/R = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,1915·(1 − e−1/0,7021) = 0,1454 A

Відповідь

i = 0,1454 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 356,7 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.

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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 6 + (3 − 6)·e−t/τ

Виразіть час

3,9 = 6 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (3,9 − 6)/(3 − 6) = 0,7
t = τ·ln((3 − 6)/(3,9 − 6)) = 1000·ln(1,429) = 356,7 ms

Відповідь

t = 356,7 ms

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