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 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​10 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​30 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 ΩR5 = 5 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBIs​2 A

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

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 8 Ω−+Vs​ = 9 V+−V1​36 VR2​6 ΩAR3​10 ΩBIs​6 A

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).

V1 = 36 VIs = 6 AVs = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 Ω+−VR1​R2​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
VR1 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR4​30 ΩAR5​15 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I3 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 12 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 15 Ω
I3 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩIR2​AR4​15 ΩBIs​5 A

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

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​?

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩARL​6 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 6 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAIs​2,5 ABRL​12 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 12 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 0,1 V

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

Vin = 0,1 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Vin​V1​Vout​каскад 1: інвертувальнийR1​ = 2 kΩRf1​ = 22 kΩкаскад 2: неінвертувальнийR2​ = 2 kΩRf2​ = 22 kΩ

Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Знайдіть загальний коефіцієнт підсилення за напругою Av = Vout/Vin.

R1 = 2 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 22 kΩ
Av =
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 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 = 5 ms.

Vs = 10 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C2,2 µF+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 6 V, рівно через 500 ms після старту. При C = 2,2 µF знайдіть потрібний опір R.

Vs = 12 VVth = 6 VT = 500 msC = 2,2 µF
R = kΩ

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 22,74 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​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​10 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 = 6 + 10 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7,742 Ω
Req = R1 + 7,742 = 15 + 7,742 = 22,74 Ω

Відповідь

Req = 22,74 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 1,934 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 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​15 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 = 5 + 30 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 10,5 Ω
R3 + 10,5 = 14,5 Ω
R2 ∥ 14,5 = 1,758 Ω
Req = R1 + 1,758 = 6 + 1,758 = 7,758 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/7,758 = 1,934 A

Відповідь

IR1 = 1,934 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 8,608 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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBIs​2 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 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/15 + (VA − 10)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,1833·VA − 0,05·VB = 0,6667

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/12 + (VB − VA)/20 = 2
−0,05·VA + 0,1333·VB = 2

Розв’яжіть

Δ = (0,1833)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,02194
VA = Δ1/Δ = 0,1889/0,02194 = 8,608 V
VB = Δ2/Δ = 0,4/0,02194 = 18,23 V

Відповідь

VA = 8,608 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 33,51 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.

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 + 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Розв’яжіть

(VA − 36)/8 + VA/6 + (VA + 9)/10 = 6
VA·(1/8 + 1/6 + 1/10) = 6 + 36/8 − 9/10 = 9,6
VA = 9,6/0,3917 = 24,51 V
VB = 33,51 V

Відповідь

VB = 33,51 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR1 = 22,15 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​ = 12 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​4 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 30
16·I1 − 4·I2 = 30

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
10·I2 + 4(I2 − I1) = (−9)
−4·I1 + 14·I2 = −9

Розв’яжіть

Δ = (16)(14) − (−4)(−4) = 208
I1 = Δ1/Δ = 384/208 = 1,846 A
I2 = Δ2/Δ = −24/208 = −0,1154 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,846 A
VR1 = IR1·R1 = 1,846·12 = 22,15 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −0,2951 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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR4​30 ΩAR5​15 ΩB+−V2​10 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
3·I1 + 30(I1 − I2) = 12
33·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 30(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 51·I2 − 15·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
5·I3 + 15(I3 − I2) = (−10)
−15·I2 + 20·I3 = −10

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8235
I1 = Δ1/Δ = 5040/8235 = 0,612 A
I2 = Δ2/Δ = 2250/8235 = 0,2732 A
I3 = Δ3/Δ = −2430/8235 = −0,2951 A

Відповідь

I3 = −0,2951 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR2 = 2,916 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​18 VR2​3 ΩAR4​15 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+15 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·27/(3+27) = 2,7 Ω
VA = 18·2,7/(20+2,7) = 2,141 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,141·15/27 = 1,189 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,141 − 0)/3 = 0,7137 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​3 ΩAR4​15 ΩBIs​5 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) = 15 ∥ 14,61 = 7,401 Ω
VB = Is·Req = 5·7,401 = 37 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 37·2,609/14,61 = 6,608 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (6,608 − 0)/3 = 2,203 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,7137 + 2,203 = 2,916 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 2 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​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​3 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) = 3 ∥ 10 = 2,308 Ω
VA = 12·2,308/(15+2,308) = 1,6 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,6·5/10 = 0,8 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​3 ΩAIs​2 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 = 2,5 Ω, тож лівий шлях — R2+2,5 = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ 7,5 = 3 Ω
VB = −Is·Req = −2·3 = −6 V
VA = VB·2,5/7,5 = −2 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 = 2,5 Ω
VA‴ = V2·2,5/(5 + 5 + 2,5) = 0,2·V2

Прирівняйте VA до нуля

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,6 + (−2) + 0,2·V2 = 0
V2 = 0,4/0,2 = 2 V

Відповідь

V2 = 2 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 1,5 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​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​8 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 2 = 5,429 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​8 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) = 30·8/(6+8) = 17,14 V
Rth​ = 5,429 Ω+−Vth​17,14 VRL​6 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) = 17,14/(5,429 + 6) = 1,5 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 1,136 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​ = 3 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 3 = 4,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAIs​2,5 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) = 7,5 + 2,5·1,5 = 11,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,25 + 2,5·3 = 18,75 V
Rth​ = 4,5 Ω+−Vth​18,75 VRL​12 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) = 18,75/(4,5 + 12) = 1,136 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,57 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₊ = 0,1 V
I = V₋/R1 = 0,1/1 = 0,1 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,1 + 0,1·4,7 = 0,57 V

Відповідь

Vout = 0,57 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Av = −132

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 кожного каскаду

A1 = −Rf1/R1 = −22/2 = −11
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/2 = 12

Загальний коефіцієнт підсилення

Av = A1·A2 = −11·12 = −132

Відповідь

Av = −132
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 2,298 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 = 10/20 = 0,5 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 = 10·e−5/3,4 = 2,298 V

Відповідь

vL = 2,298 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: R = 327,9 kΩ

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.

Потрібна стала часу

6 = 12·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(12/(12 − 6))
τ = 500/0,6931 = 721,3 ms

Опір

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

R = τ/C = 721,3/2,2 = 327,9 kΩ

Відповідь

R = 327,9 kΩ

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