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​ = 15 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​3 ΩB

Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​30 ΩBR6​20 Ω

Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.

V1 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 30 ΩR5 = 20 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 30 ΩIR1​−+Vs​ = 12 V+−V1​12 VR2​6 ΩAR3​15 ΩBIs​5 A

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 12 VIs = 5 AVs = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​4 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR4​10 ΩAR5​2 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I1 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 10 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
I1 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 10 ΩIR4​+−V1​36 VR3​12 ΩAIs​2,5 AB−+V2​5 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.

V1 = 36 VIs = 2,5 AV2 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
IR4 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​1,5 ABRL​2 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 2 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩRL = 2 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −2,5 VRa​ = 22 kΩRb​ = 2 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

Vin = −2,5 VRa = 22 kΩRb = 2 kΩR1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = 1,3 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,1 VR2​ = 4,7 kΩIf​

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.

V1 = 1,3 VV2 = 1,1 VR1 = 47 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL47 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​24 Vt = 0R = 3,3 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 19,2 V? Знайдіть t.

Vs = 24 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 8 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,6222 A

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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​3 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 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Req = R1 + 4,286 = 15 + 4,286 = 19,29 Ω

Струм джерела

Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.

IR1 = V1/Req = 12/19,29 = 0,6222 A

Відповідь

IR1 = 0,6222 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,4062 A

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​ = 10 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​30 ΩBR6​20 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 17,14 Ω
R3 + 17,14 = 27,14 Ω
R2 ∥ 27,14 = 7,308 Ω
Req = R1 + 7,308 = 5 + 7,308 = 12,31 Ω

Струм джерела

Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.

IR1 = V1/Req = 5/12,31 = 0,4062 A

Відповідь

IR1 = 0,4062 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 51,66 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 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/4 + (VA − 24)/6 + (VA − VB)/15 = 0
0,4833·VA − 0,06667·VB = 4

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

Розв’яжіть

Δ = (0,4833)(0,1167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,05194
VA = Δ1/Δ = 0,8/0,05194 = 15,4 V
VB = Δ2/Δ = 2,683/0,05194 = 51,66 V

Відповідь

VB = 51,66 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = −0,175 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 + 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Розв’яжіть

(VA − 12)/30 + VA/6 + (VA + 12)/15 = 5
VA·(1/30 + 1/6 + 1/15) = 5 + 12/30 − 12/15 = 4,6
VA = 4,6/0,2667 = 17,25 V
VB = 29,25 V

Струм через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 17,25)/30 = −0,175 A

Відповідь

IR1 = −0,175 A

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

5.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,25 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​ = 12 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​4 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 18
16·I1 − 4·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
3·I2 + 4(I2 − I1) = (−6)
−4·I1 + 7·I2 = −6

Розв’яжіть

Δ = (16)(7) − (−4)(−4) = 96
I1 = Δ1/Δ = 102/96 = 1,063 A
I2 = Δ2/Δ = −24/96 = −0,25 A

Відповідь

I2 = −0,25 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 0,844 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​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR4​10 ΩAR5​2 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 10
14·I1 − 10·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 10(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 37·I2 − 2·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
15·I3 + 2(I3 − I2) = (−15)
−2·I2 + 17·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 7050
I1 = Δ1/Δ = 5950/7050 = 0,844 A
I2 = Δ2/Δ = 1280/7050 = 0,1816 A
I3 = Δ3/Δ = −6070/7050 = −0,861 A

Відповідь

I1 = 0,844 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR3 = −2,037 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​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​20 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 = 5+20 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·25/(8+25) = 6,061 Ω
VA = 9·6,061/(20+6,061) = 2,093 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,093·20/25 = 1,674 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (1,674 − 2,093)/5 = −0,08372 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​3 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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 10,71 = 6,977 Ω
VB = Is·Req = (−3)·6,977 = −20,93 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −20,93·5,714/10,71 = −11,16 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (−20,93 − −11,16)/5 = −1,953 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,08372) + (−1,953) = −2,037 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: IR4 = 2,893 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​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​36 VR3​12 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) = 12 ∥ 20 = 7,5 Ω
VA = 36·7,5/(3+7,5) = 25,71 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 25,71·10/20 = 12,86 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (12,86 − 0)/10 = 1,286 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​12 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 = 2,4 Ω, тож лівий шлях — R2+2,4 = 12,4 Ω
Req = R4 ∥ 12,4 = 5,536 Ω
VB = Is·Req = 2,5·5,536 = 13,84 V
VA = VB·2,4/12,4 = 2,679 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (13,84 − 0)/10 = 1,384 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​12 ΩAОБРИВB−+V2​5 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−5)·12,4/22,4 = −2,768 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,768·2,4/12,4 = −0,5357 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−2,768 − −5)/10 = 0,2232 A

Додайте складові

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 1,286 + 1,384 + 0,2232 = 2,893 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 6 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​ = 6 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​6 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 3 = 6 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 1,851 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​ = 8 ΩКЗR2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 8 = 11,43 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 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) = 7,714 + 1,5·3,429 = 12,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,86 + 1,5·8 = 24,86 V
Rth​ = 11,43 Ω+−Vth​24,86 VRL​2 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) = 24,86/(11,43 + 2) = 1,851 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −4,641 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −2,5·2/(22 + 2) = −0,2083 V

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊, і струм через R₁ тече також через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −0,2083·(1 + 100/4,7) = −4,641 V

Відповідь

Vout = −4,641 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = 0,2617 mA

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 = 1,3/47 = 0,02766 mA
I2 = V2/R2 = 1,1/4,7 = 0,234 mA
If = I1 + I2 = 0,2617 mA

Відповідь

If = 0,2617 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W(∞) = 0,3384 mJ

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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A

Накопичена енергія

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0,12² = 0,3384 mJ

Відповідь

W(∞) = 0,3384 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 39,73 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 24 + (8 − 24)·e−t/τ

Виразіть час

19,2 = 24 + (−16)·e−t/τ → e−t/τ = (19,2 − 24)/(8 − 24) = 0,3
t = τ·ln((8 − 24)/(19,2 − 24)) = 33·ln(3,333) = 39,73 ms

Відповідь

t = 39,73 ms

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