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​ = 4 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​2 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩIR2​AR4​25 ΩBR6​8 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 20 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​2,5 A

Методом вузлових потенціалів знайдіть потужність PIs, яку віддає джерело струму Is.

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩAR5​4 ΩBIs​1,5 A−+V2​30 V

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 Ω+−VR1​R2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR1 на R1 з указаною полярністю.

V1 = 15 VV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
VR1 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​8 ΩAR5​10 ΩIR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩR5 = 10 Ω
IR5 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

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

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​5 VR3​5 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​?

Знайдіть значення джерела напруги V2 (полярність як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAIs​1 ABRL​30 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 30 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 10 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1,7 VR1​ = 2 kΩV2​ = −1,5 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 1,7 VV2 = −1,5 VR1 = 2 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 10 Ωt = 0L220 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 3 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 50 ms.

i(0) = 3 AR = 10 ΩL = 220 mHt = 50 ms
vR = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vt = 0R = 6,8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 150 ms.

Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 Vt = 150 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 4,821 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​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​4 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 = 3 + 2 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R1 + 2,222 = 4 + 2,222 = 6,222 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 30/6,222 = 4,821 A

Відповідь

IR1 = 4,821 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 2,445 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​25 ΩBR6​8 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 + 8 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 13,21 Ω
R3 + 13,21 = 33,21 Ω
R2 ∥ 33,21 = 3,57 Ω
Req = R1 + 3,57 = 3 + 3,57 = 6,57 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 18/6,57 = 2,74 A

Струм через R₂

Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,74·3 = 9,781 V
IR2 = VA/R2 = 9,781/4 = 2,445 A

Відповідь

IR2 = 2,445 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 42,61 W

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 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/5 + (VA − 15)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,4333·VA − 0,1667·VB = 1

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/15 + (VB − VA)/6 = 2,5
−0,1667·VA + 0,2333·VB = 2,5

Розв’яжіть

Δ = (0,4333)(0,2333) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,07333
VA = Δ1/Δ = 0,65/0,07333 = 8,864 V
VB = Δ2/Δ = 1,25/0,07333 = 17,05 V

Потужність, яку віддає джерело струму

Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.

PIs = VB·Is = 17,05·2,5 = 42,61 W

Відповідь

PIs = 42,61 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 1,11 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​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩAR5​4 ΩBIs​1,5 A−+V2​30 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 9 V, V2 = −30 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/4 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/3 = 0
0,7083·VA − 0,3333·VB = 1,125

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)/3 + (VB − (−30))/8 = 1,5
−0,3333·VA + 0,7083·VB = −2,25

Розв’яжіть

Δ = (0,7083)(0,7083) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3906
VA = Δ1/Δ = 0,04687/0,3906 = 0,12 V
VB = Δ2/Δ = −1,219/0,3906 = −3,12 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 0,12)/8 = 1,11 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR1 = 10,43 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​ = 8 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩA+−V2​9 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 + 3(I1 − I2) = 15
11·I1 − 3·I2 = 15

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
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 23·I2 = −9

Розв’яжіть

Δ = (11)(23) − (−3)(−3) = 244
I1 = Δ1/Δ = 318/244 = 1,303 A
I2 = Δ2/Δ = −54/244 = −0,2213 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,303 A
VR1 = IR1·R1 = 1,303·8 = 10,43 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR5 = 2,357 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​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​8 ΩAR5​10 ΩB+−V2​36 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
20·I1 + 8(I1 − I2) = 15
28·I1 − 8·I2 = 15

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
20·I2 + 8(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 38·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
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−36)
−10·I2 + 14·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 11200
I1 = Δ1/Δ = 3600/11200 = 0,3214 A
I2 = Δ2/Δ = −8400/11200 = −0,75 A
I3 = Δ3/Δ = −34800/11200 = −3,107 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 2,357 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR1 = 0,3611 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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​6 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 = 3+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
VA = 12·3,429/(12+3,429) = 2,667 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,667·5/8 = 1,667 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 2,667)/12 = 0,7778 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​6 ΩAR4​5 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 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7 = 2,917 Ω
VB = Is·Req = 3·2,917 = 8,75 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,75·4/7 = 5 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5)/12 = −0,4167 A

Додайте складові

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,7778 + (−0,4167) = 0,3611 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 3,667 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 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​5 VR3​5 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) = 5 ∥ 10 = 3,333 Ω
VA = 5·3,333/(6+3,333) = 1,786 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,786·8/10 = 1,429 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​5 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R3 = 2,727 Ω, тож лівий шлях — R2+2,727 = 4,727 Ω
Req = R4 ∥ 4,727 = 2,971 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·2,971 = −4,457 V
VA = VB·2,727/4,727 = −2,571 V

Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт

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

R1 ∥ R3 = 2,727 Ω
VA‴ = V2·2,727/(8 + 2 + 2,727) = 0,2143·V2

Прирівняйте VA до нуля

При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,786 + (−2,571) + 0,2143·V2 = 0
V2 = 0,7857/0,2143 = 3,667 V

Відповідь

V2 = 3,667 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 7,333 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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​20 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 4 = 7,333 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,08645 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​ = 15 ΩR3​ = 2 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 2 = 7,217 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 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) = 10,43 + (−1)·5,217 = 5,217 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,217 + (−1)·2 = 3,217 V
Rth​ = 7,217 Ω+−Vth​3,217 VRL​30 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) = 3,217/(7,217 + 30) = 0,08645 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 1,4 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 = 10/1 = 10

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/10 = 1,4 V

Відповідь

Vin,max = 1,4 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,5309 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 = 1,7/2 = 0,85 mA
I2 = V2/R2 = −1,5/4,7 = −0,3191 mA
If = I1 + I2 = 0,5309 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −1·0,5309 = −0,5309 V

Відповідь

Vout = −0,5309 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vR = 3,091 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

τ = L/R = 220 mH / 10 Ω = 22 ms

Спадання струму

i(t) = 3·e−50/22 = 0,3091 A
vR = R·i = 10·0,3091 = 3,091 V

Відповідь

vR = 3,091 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 7,446 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 68 µF = 462,4 ms
vC(t) = 6 + (8 − 6)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(150) = 6 + (2)·e−150/462,4 = 7,446 V

Відповідь

vC = 7,446 V

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