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​ = 12 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​12 ΩB

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

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​25 ΩBR6​5 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

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

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​3 A−+V2​24 V

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

V1 = 30 VIs = 3 AV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 ΩR5 = 8 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​5 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 30 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR4​25 ΩAR5​10 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 5 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 ΩR5 = 10 Ω
IR1 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​5 Ω+−VR4​BIs​1 A

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR4 на R4 з указаною полярністю.

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
VR4 = V
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

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

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩARL​10 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 10 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​1 ABRL​12 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 12 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 31.

R1 = 47 kΩAv = 31
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Vin​V1​Vout​каскад 1: інвертувальнийR1​ = 2 kΩRf1​ = 2 kΩкаскад 2: неінвертувальнийR2​ = 1 kΩRf2​ = 4,7 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 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf2 = 4,7 kΩ
Av =
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 5 ΩL33 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 = 10 VR = 5 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 15,8 V? Знайдіть t.

Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,6493 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​12 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 2·27/(2+27) = 1,862 Ω
Req = R1 + 1,862 = 12 + 1,862 = 13,86 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/13,86 = 0,6493 A

Відповідь

IR1 = 0,6493 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 22,51 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​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​25 ΩBR6​5 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 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7,143 Ω
R3 + 7,143 = 22,14 Ω
R2 ∥ 22,14 = 10,51 Ω
Req = R1 + 10,51 = 12 + 10,51 = 22,51 Ω

Відповідь

Req = 22,51 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 0,6885 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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 6 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/2 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/12 = 0
0,7833·VA − 0,08333·VB = 1,2

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/4 + (VB − VA)/12 = 3
−0,08333·VA + 0,3333·VB = 3

Розв’яжіть

Δ = (0,7833)(0,3333) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,2542
VA = Δ1/Δ = 0,65/0,2542 = 2,557 V
VB = Δ2/Δ = 2,45/0,2542 = 9,639 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 2,557)/5 = 0,6885 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 10,29 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​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​3 A−+V2​24 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 30 V, V2 = −24 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 − 30)/8 + (VA − VB)/4 = 0
0,7083·VA − 0,25·VB = 3,75

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/8 + (VB − VA)/4 + (VB − (−24))/25 = 3
−0,25·VA + 0,415·VB = 2,04

Розв’яжіть

Δ = (0,7083)(0,415) − (−0,25)(−0,25) = 0,2315
VA = Δ1/Δ = 2,066/0,2315 = 8,927 V
VB = Δ2/Δ = 2,382/0,2315 = 10,29 V

Відповідь

VB = 10,29 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = −0,07595 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​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​5 ΩA+−V2​30 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 + 5(I1 − I2) = 18
13·I1 − 5·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 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 8·I2 = −30

Розв’яжіть

Δ = (13)(8) − (−5)(−5) = 79
I1 = Δ1/Δ = −6/79 = −0,07595 A
I2 = Δ2/Δ = −300/79 = −3,797 A

Відповідь

IR1 = I1 = −0,07595 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 0,1912 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​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR4​25 ΩAR5​10 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
30·I1 + 25(I1 − I2) = 10
55·I1 − 25·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
3·I2 + 25(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−25·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
2·I3 + 10(I3 − I2) = (−5)
−10·I2 + 12·I3 = −5

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 12080
I1 = Δ1/Δ = 2310/12080 = 0,1912 A
I2 = Δ2/Δ = 250/12080 = 0,0207 A
I3 = Δ3/Δ = −4825/12080 = −0,3994 A

Відповідь

IR1 = I1 = 0,1912 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: VR4 = −1,254 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​15 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 = 8+5 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
VA = 9·6,964/(4+6,964) = 5,717 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,717·5/13 = 2,199 V
VR4′ = VB − 0 = 2,199 − 0 = 2,199 V
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​15 ΩAR4​5 ΩBIs​1 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 11,16 = 3,453 Ω
VB = Is·Req = (−1)·3,453 = −3,453 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −3,453·3,158/11,16 = −0,9772 V
VR4″ = VB − 0 = −3,453 − 0 = −3,453 V

Додайте складові

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2,199 + (−3,453) = −1,254 V

Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.

8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 50 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​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​10 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 ∥ 28 = 4,242 Ω
VA = 10·4,242/(4+4,242) = 5,147 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,147·20/28 = 3,676 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​5 ΩAIs​6 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 = 2,222 Ω, тож лівий шлях — R2+2,222 = 10,22 Ω
Req = R4 ∥ 10,22 = 6,765 Ω
VB = −Is·Req = −6·6,765 = −40,59 V
VA = VB·2,222/10,22 = −8,824 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 = 2,222 Ω
VA‴ = V2·2,222/(20 + 8 + 2,222) = 0,07353·V2

Прирівняйте VA до нуля

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 5,147 + (−8,824) + 0,07353·V2 = 0
V2 = 3,676/0,07353 = 50 V

Відповідь

V2 = 50 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,3879 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​ = 10 ΩКЗR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 10 = 15,22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 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) = 15·15/(8+15) = 9,783 V
Rth​ = 15,22 Ω+−Vth​9,783 VRL​10 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) = 9,783/(15,22 + 10) = 0,3879 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 2,404 W

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​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​4 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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 3 = 6,529 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​4 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) = 1,765 + 1·3,529 = 5,294 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,294 + 1·3 = 8,294 V
Rth​ = 6,529 Ω+−Vth​8,294 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) = 8,294/(6,529 + 12) = 0,4476 A
PL = IL²·RL = 0,4476²·12 = 2,404 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 1410 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 = (31 − 1)·47 = 1410 kΩ

Відповідь

Rf = 1410 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Av = −5,7

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 = −2/2 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/1 = 5,7

Загальний коефіцієнт підсилення

Av = A1·A2 = −1·5,7 = −5,7

Відповідь

Av = −5,7
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W(∞) = 66 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 = 33 mH / 5 Ω = 6,6 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A

Накопичена енергія

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·2² = 66 mJ

Відповідь

W(∞) = 66 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 36,88 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 6 + (20 − 6)·e−t/τ

Виразіть час

15,8 = 6 + (14)·e−t/τ → e−t/τ = (15,8 − 6)/(20 − 6) = 0,7
t = τ·ln((20 − 6)/(15,8 − 6)) = 103,4·ln(1,429) = 36,88 ms

Відповідь

t = 36,88 ms

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