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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​20 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBR6​30 Ω

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

V1 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 ΩR5 = 30 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​8 Ω+−V1​9 VR2​6 Ω−+V2​18 VI2​R3​12 Ω+−V3​10 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 = 9 VR1 = 8 ΩV2 = 18 VR2 = 6 ΩV3 = 10 VR3 = 12 Ω
I2 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 24,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 ΩVA = 24,5 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩIR2​+−V1​18 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​3 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 ΩR5 = 3 Ω
I3 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​?

Знайдіть значення джерела струму Is (напрямок як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​4 ΩAIs​1 AB−+V2​30 V

За методом накладання знайдіть потужність PR1, яку споживає R1.

V1 = 15 VIs = 1 AV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
PR1 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAIs​1,5 ABRL​6 ΩIL​

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

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 10 kΩRf = 22 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​C = 0,22 µFVin​ = 1,4 VR = 10 kΩ

Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 1,4 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 2 ms.

Vin = 1,4 VR = 10 kΩC = 0,22 µFVsat = ±12 Vt = 2 ms
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 100 ΩL150 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 90% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 5 VR = 100 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vt = 0R = 6,8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 10 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 300 ms.

Vs = 6 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 10 Vt = 300 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 30,7 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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​20 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 20·23/(20+23) = 10,7 Ω
Req = R1 + 10,7 = 20 + 10,7 = 30,7 Ω

Відповідь

Req = 30,7 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,3602 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​ = 25 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​8 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 7,059 Ω
R3 + 7,059 = 27,06 Ω
R2 ∥ 27,06 = 8,313 Ω
Req = R1 + 8,313 = 25 + 8,313 = 33,31 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 12/33,31 = 0,3602 A

Відповідь

IR1 = 0,3602 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: I2 = −2,537 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 − 9)/8 + (VA − (−18))/6 + (VA − 10)/12 = 0

Знайдіть VA

VA = (9/8 + (−18)/6 + 10/12) / (1/8 + 1/6 + 1/12) = −1,042/0,375 = −2,778 V

Струм гілки

Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.

I2 = ((−18) − VA)/R2 = ((−18) − (−2,778))/6 = −2,537 A

Відповідь

I2 = −2,537 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 3,122 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

VA відоме, тож це рівняння дає VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(24,5 − 24)/30 + 24,5/15 = (VB − 24,5)/3
1,65 = (VB − 24,5)/3 → VB = 29,45 V

ЗСК для вузла B

Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (29,45 − 24,5)/3 + 29,45/20 = 3,122 A

Відповідь

Is = 3,122 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,6923 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​ = 6 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​10 ΩA+−V2​18 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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 18
16·I1 − 10·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
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 16·I2 = −18

Розв’яжіть

Δ = (16)(16) − (−10)(−10) = 156
I1 = Δ1/Δ = 108/156 = 0,6923 A
I2 = Δ2/Δ = −108/156 = −0,6923 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,6923 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −1,13 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​3 ΩB+−V2​6 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 + 10(I1 − I2) = 24
40·I1 − 10·I2 = 24

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
12·I2 + 10(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 25·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
2·I3 + 3(I3 − I2) = (−6)
−3·I2 + 5·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4140
I1 = Δ1/Δ = 2604/4140 = 0,629 A
I2 = Δ2/Δ = 480/4140 = 0,1159 A
I3 = Δ3/Δ = −4680/4140 = −1,13 A

Відповідь

I3 = −1,13 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 0,3429 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​20 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 = 15+20 = 35 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·35/(8+35) = 6,512 Ω
VA = 12·6,512/(6+6,512) = 6,245 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,245·20/35 = 3,569 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (6,245 − 3,569)/15 = 0,1784 A

Випадок 2 · діє лише Is

V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ ∥ R₂ з’єднує A із землею. Iₛ розгалужується у вузлі B між R₄ і шляхом R₃ + R₁∥R₂; частина через R₃ тече від B до A, проти стрілки.

R1 ∥ R2 = 3,429 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·20/38,43 = −0,5204·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 0,1784 − 0,5204·Is = 0
Is = 0,1784/0,5204 = 0,3429 A

Відповідь

Is = 0,3429 A
8.Метод накладання

Відповідь: PR1 = 21,51 W

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​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​4 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) = 4 ∥ 17 = 3,238 Ω
VA = 15·3,238/(8+3,238) = 4,322 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,322·12/17 = 3,051 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 4,322)/8 = 1,335 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​4 ΩAIs​1 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 = 2,667 Ω, тож лівий шлях — R2+2,667 = 7,667 Ω
Req = R4 ∥ 7,667 = 4,678 Ω
VB = Is·Req = 1·4,678 = 4,678 V
VA = VB·2,667/7,667 = 1,627 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,627)/8 = −0,2034 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​4 ΩAОБРИВB−+V2​30 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·7,667/19,67 = −11,69 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −11,69·2,667/7,667 = −4,068 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −4,068)/8 = 0,5085 A

Додайте внески струму

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 1,335 + (−0,2034) + 0,5085 = 1,64 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR1 = IR1²·R1 = 1,64²·8 = 21,51 W

Відповідь

PR1 = 21,51 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 16,65 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 16,76 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​ = 2 ΩR3​ = 15 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 15 = 16,76 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 1,115 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​ = 5 ΩКЗR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 5 = 7 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAIs​1,5 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) = 4 + 1,5·2 = 7 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7 + 1,5·5 = 14,5 V
Rth​ = 7 Ω+−Vth​14,5 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) = 14,5/(7 + 6) = 1,115 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 4,063 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/10 = 3,2

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3,2 = 4,063 V

Відповідь

Vin,max = 4,063 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −1,273 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 = 10 kΩ · 0,22 µF = 2,2 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −1,4/2,2 = −0,6364 V/ms

Вихідна напруга в заданий момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −1,4·2/2,2 = −1,273 V

Відповідь

Vout = −1,273 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 3,454 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 = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/100 = 0,05 A

Виразіть час

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,5·ln(0,1) = 3,454 ms

Відповідь

t = 3,454 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 8,091 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.

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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 68 µF = 462,4 ms
vC(t) = 6 + (10 − 6)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(300) = 6 + (4)·e−300/462,4 = 8,091 V

Відповідь

vC = 8,091 V

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