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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​30 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​3 Ω+−V1​30 VR2​3 Ω+−V2​12 VI2​R3​12 Ω−+V3​6 VA

Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I2 у вітці 2, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩV2 = 12 VR2 = 3 ΩV3 = 6 VR3 = 12 Ω
I2 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩAR5​5 ΩBIs​6 A−+V2​9 V

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

V1 = 9 VIs = 6 AV2 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​2 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 Ω
IR1 = A
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 = 15 V і Is = 6 mA I = 19,2 mA; при Vs = 20 V і Is = 4 mA I = 24,8 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 6 V і Is = 3 mA.

15 V, 6 mA → 19,2 mA20 V, 4 mA → 24,8 mAVs = 6 V, Is = 3 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​10 VR3​15 ΩAIs​3 AB+−V2​6 V

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

V1 = 10 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR4 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAIs​3 ABRL​2 ΩIL​

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

V1 = 36 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩRL = 2 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −1,6 V

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

Vin = −1,6 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0,7 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,7 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = −0,7 VV2 = 0,7 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​12 Vt = 0R = 20 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 10 ms.

Vs = 12 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 Vрозмикається при t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 2,2 kΩC68 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.

Vs = 12 VR1 = 1 kΩR2 = 2,2 kΩC = 68 µFt = 200 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,3333 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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​8 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R1 + 7,5 = 6 + 7,5 = 13,5 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 12/13,5 = 0,8889 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,8889·6 = 6,667 V
IR2 = VA/R2 = 6,667/20 = 0,3333 A

Відповідь

IR2 = 0,3333 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,1732 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​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​30 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 = 2 + 30 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 15,48 Ω
R3 + 15,48 = 20,48 Ω
R2 ∥ 20,48 = 12,17 Ω
Req = R1 + 12,17 = 30 + 12,17 = 42,17 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 18/42,17 = 0,4268 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,4268·30 = 5,195 V
IR2 = VA/R2 = 5,195/30 = 0,1732 A

Відповідь

IR2 = 0,1732 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: I2 = −2 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

Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.

(VA − 30)/3 + (VA − 12)/3 + (VA − (−6))/12 = 0

Знайдіть VA

VA = (30/3 + 12/3 + (−6)/12) / (1/3 + 1/3 + 1/12) = 13,5/0,75 = 18 V

Струм гілки

Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.

I2 = (12 − VA)/R2 = (12 − 18)/3 = −2 A

Відповідь

I2 = −2 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 10,4 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​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩAR5​5 ΩBIs​6 A−+V2​9 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 9 V, V2 = −9 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/2 + (VA − 9)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,8·VA − 0,1·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/5 + (VB − VA)/10 + (VB − (−9))/6 = 6
−0,1·VA + 0,4667·VB = 4,5

Розв’яжіть

Δ = (0,8)(0,4667) − (−0,1)(−0,1) = 0,3633
VA = Δ1/Δ = 1,29/0,3633 = 3,55 V
VB = Δ2/Δ = 3,78/0,3633 = 10,4 V

Відповідь

VB = 10,4 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 1,294 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​ = 10 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​2 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
10·I1 + 2(I1 − I2) = 18
12·I1 − 2·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
4·I2 + 2(I2 − I1) = (−10)
−2·I1 + 6·I2 = −10

Розв’яжіть

Δ = (12)(6) − (−2)(−2) = 68
I1 = Δ1/Δ = 88/68 = 1,294 A
I2 = Δ2/Δ = −84/68 = −1,235 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,294 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 0,673 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​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​5 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 + 2(I1 − I2) = 15
22·I1 − 2·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
30·I2 + 2(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 57·I2 − 25·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 + 25(I3 − I2) = (−5)
−25·I2 + 27·I3 = −5

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 20000
I1 = Δ1/Δ = 13460/20000 = 0,673 A
I2 = Δ2/Δ = −1940/20000 = −0,097 A
I3 = Δ3/Δ = −5500/20000 = −0,275 A

Відповідь

IR1 = I1 = 0,673 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 7,8 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
15·k₁ + 6·k₂ = 19,2
20·k₁ + 4·k₂ = 24,8

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (15)(4) − (6)(20) = −60
k₁ = Δ1/Δ = −72/−60 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −12/−60 = 0,2
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = 0,2

Обчисліть новий струм

I = 1,2·6 + 0,2·3 = 7,8 mA

Відповідь

I = 7,8 mA
8.Метод накладання

Відповідь: IR4 = −2,056 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​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​15 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) = 15 ∥ 37 = 10,67 Ω
VA = 10·10,67/(4+10,67) = 7,274 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,274·12/37 = 2,359 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2,359 − 0)/12 = 0,1966 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​15 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.

R1 ∥ R3 = 3,158 Ω, тож лівий шлях — R2+3,158 = 28,16 Ω
Req = R4 ∥ 28,16 = 8,414 Ω
VB = Is·Req = (−3)·8,414 = −25,24 V
VA = VB·3,158/28,16 = −2,831 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−25,24 − 0)/12 = −2,104 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​15 ΩAОБРИВB+−V2​6 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·28,16/40,16 = 4,207 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,207·3,158/28,16 = 0,4718 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (4,207 − 6)/12 = −0,1494 A

Додайте складові

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1966 + (−2,104) + (−0,1494) = −2,056 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 3,429 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​ = 10 ΩR3​ = 20 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 20 = 22,86 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 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) = 12·4/(10+4) = 3,429 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 4,748 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​ = 2 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​30 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 = 2·30/(2+30) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 12 = 13,88 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAIs​3 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) = 33,75 + 3·1,875 = 39,38 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 39,38 + 3·12 = 75,37 V
Rth​ = 13,88 Ω+−Vth​75,37 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) = 75,37/(13,88 + 2) = 4,748 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −5,018 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.

Інвертувальний вхід повторює вхід

V₋ = V₊ = −1,6 V
I = V₋/R1 = −1,6/22 = −0,07273 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,6 + (−0,07273)·47 = −5,018 V

Відповідь

Vout = −5,018 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 5,505 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 = −0,7/4,7 = −0,1489 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/22 = 0,03182 mA
If = I1 + I2 = −0,1171 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −47·(−0,1171) = 5,505 V

Відповідь

Vout = 5,505 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 0,6336 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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0,6 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 = 12·e−10/3,4 = 0,6336 V

Відповідь

vL = 0,6336 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 2,167 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.

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

vC(0) = 12·2,2/(1 + 2,2) = 8,25 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 2,2·68 = 149,6 ms

Розряджання

vC(t) = 8,25·e−200/149,6 = 2,167 V

Відповідь

vC = 2,167 V

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