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​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBR6​6 Ω

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

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 3 VIs​3 AAR1​4 ΩR2​8 ΩB

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).

Is = 3 AVs = 3 VR1 = 4 ΩR2 = 8 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩAR5​2 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

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

V1 = 9 VIs = 4 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 Ω
I2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR4​3 ΩAR5​3 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 3 Ω
I1 = 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 = 12 V і Is = 2 mA I = 9,2 mA; при Vs = 4 V і Is = 5 mA I = 2,2 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 8 V і Is = 8 mA.

12 V, 2 mA → 9,2 mA4 V, 5 mA → 2,2 mAVs = 8 V, Is = 8 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 25 Ω+−VR2​R4​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩAIs​6 AB−+V2​12 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.

V1 = 30 VIs = 6 AV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
VR2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAIs​2 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 20.

R1 = 1 kΩAv = 20
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 2 VR = 22 kΩ

Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 2 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 200 ms.

Vin = 2 VR = 22 kΩC = 2,2 µFVsat = ±14 Vt = 200 ms
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​6 Vt = 0R = 20 ΩL33 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 6 VR = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.

Vs = 9 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 20 Vt = 200 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,5091 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​20 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 + 20 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 6·35/(6+35) = 5,122 Ω
Req = R1 + 5,122 = 15 + 5,122 = 20,12 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 12/20,12 = 0,5964 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,5964·15 = 3,055 V
IR2 = VA/R2 = 3,055/6 = 0,5091 A

Відповідь

IR2 = 0,5091 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,7745 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​ = 4 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBR6​6 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 4,364 Ω
R3 + 4,364 = 8,364 Ω
R2 ∥ 8,364 = 3,494 Ω
Req = R1 + 3,494 = 12 + 3,494 = 15,49 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 12/15,49 = 0,7745 A

Відповідь

IR1 = 0,7745 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 10 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 + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/4 + (VA + 3)/8 = 3
VA = (3 − 3/8)/(1/4 + 1/8) = 7 V
VB = 7 + 3 = 10 V

Відповідь

VB = 10 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 1,144 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​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩAR5​2 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 9 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/4 + (VA − 9)/3 + (VA − VB)/12 = 0
0,6667·VA − 0,08333·VB = 3

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/2 + (VB − VA)/12 + (VB − 24)/30 = 4
−0,08333·VA + 0,6167·VB = 4,8

Розв’яжіть

Δ = (0,6667)(0,6167) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,4042
VA = Δ1/Δ = 2,25/0,4042 = 5,567 V
VB = Δ2/Δ = 3,45/0,4042 = 8,536 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 5,567)/3 = 1,144 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −1,014 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​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​10 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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 6
13·I1 − 10·I2 = 6

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 + 10(I2 − I1) = (−10)
−10·I1 + 13·I2 = −10

Розв’яжіть

Δ = (13)(13) − (−10)(−10) = 69
I1 = Δ1/Δ = −22/69 = −0,3188 A
I2 = Δ2/Δ = −70/69 = −1,014 A

Відповідь

I2 = −1,014 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 0,311 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​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR4​3 ΩAR5​3 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
30·I1 + 3(I1 − I2) = 12
33·I1 − 3·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
25·I2 + 3(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 31·I2 − 3·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
3·I3 + 3(I3 − I2) = (−36)
−3·I2 + 6·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 5787
I1 = Δ1/Δ = 1800/5787 = 0,311 A
I2 = Δ2/Δ = −3348/5787 = −0,5785 A
I3 = Δ3/Δ = −36396/5787 = −6,289 A

Відповідь

I1 = 0,311 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 4,8 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
12·k₁ + 2·k₂ = 9,2
4·k₁ + 5·k₂ = 2,2

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (12)(5) − (2)(4) = 52
k₁ = Δ1/Δ = 41,6/52 = 0,8
k₂ = Δ2/Δ = −10,4/52 = −0,2
k₁ = 0,8 mA/V, k₂ = −0,2

Обчисліть новий струм

I = 0,8·8 + (−0,2)·8 = 4,8 mA

Відповідь

I = 4,8 mA
8.Метод накладання

Відповідь: VR2 = 6,55 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​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​8 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) = 8 ∥ 27 = 6,171 Ω
VA = 30·6,171/(20+6,171) = 7,074 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,074·2/27 = 0,524 V
VR2′ = VA − VB = 7,074 − 0,524 = 6,55 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​8 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.

R1 ∥ R3 = 5,714 Ω, тож лівий шлях — R2+5,714 = 30,71 Ω
Req = R4 ∥ 30,71 = 1,878 Ω
VB = Is·Req = 6·1,878 = 11,27 V
VA = VB·5,714/30,71 = 2,096 V
VR2″ = VA − VB = 2,096 − 11,27 = −9,17 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​8 ΩAОБРИВB−+V2​12 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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·30,71/32,71 = −11,27 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −11,27·5,714/30,71 = −2,096 V
VR2‴ = VA − VB = −2,096 − −11,27 = 9,17 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 6,55 + (−9,17) + 9,17 = 6,55 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,4891 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​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 20 = 23 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 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) = 15·12/(4+12) = 11,25 V
IN​0,4891 ARth​23 Ωab

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

IN = Vth/Rth = 11,25/23 = 0,4891 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 46,15 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​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​20 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 15 = 19,62 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAIs​2 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) = 6,923 + 2·4,615 = 16,15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,15 + 2·15 = 46,15 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 19 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 = (20 − 1)·1 = 19 kΩ

Відповідь

Rf = 19 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −8,264 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.

Вхідний струм і швидкість наростання

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

RC = 22 kΩ · 2,2 µF = 48,4 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −2/48,4 = −0,04132 V/ms

Вихідна напруга в заданий момент

Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.

Vout = −Vin·t/(RC) = −2·200/48,4 = −8,264 V

Відповідь

Vout = −8,264 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 7,599 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.

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 / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 A

Виразіть час

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −1,65·ln(0,01) = 7,599 ms

Відповідь

t = 7,599 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 17,2 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 9 + (20 − 9)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(200) = 9 + (11)·e−200/680 = 17,2 V

Відповідь

vC = 17,2 V

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