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 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 ΩB

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

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​25 ΩBR6​3 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 30 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​2 Ω+−V1​12 VI1​R2​5 Ω+−V2​6 VR3​10 Ω+−V3​15 VA

Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I1 у вітці 1, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩV2 = 6 VR2 = 5 ΩV3 = 15 VR3 = 10 Ω
I1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​20 ΩB0,4·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,4·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 Ωg = 0,4 A/V
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​12 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR4​15 ΩAR5​3 Ω+−VR5​B+−V2​24 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR5 на R5 з указаною полярністю.

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 ΩR5 = 3 Ω
VR5 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​20 ΩIR4​BIs​1,5 A

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 10 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
PR4 = W
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩIR3​AIs​1,5 AB−+V2​9 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.

V1 = 18 VIs = 1,5 AV2 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩARL​10 ΩIL​B

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

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 10 kΩVin​

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 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 = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = −0,8 VR = 10 kΩ

Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = −0,8 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 10 ms.

Vin = −0,8 VR = 10 kΩC = 0,47 µFVsat = ±13 Vt = 10 ms
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 20 Ωt = 0L22 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 1 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,2 A? Знайдіть t.

i(0) = 1 AR = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 VR1​ = 10 ΩR2​ = 22 Ωрозмикається при t = 0L100 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм котушки i при t = 5 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 1,728 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​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 12·23/(12+23) = 7,886 Ω
Req = R1 + 7,886 = 6 + 7,886 = 13,89 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 24/13,89 = 1,728 A

Відповідь

IR1 = 1,728 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 11,88 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​25 ΩBR6​3 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 + 3 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 14,22 Ω
R3 + 14,22 = 34,22 Ω
R2 ∥ 34,22 = 8,885 Ω
Req = R1 + 8,885 = 3 + 8,885 = 11,88 Ω

Відповідь

Req = 11,88 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: I1 = 0,5625 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 − 12)/2 + (VA − 6)/5 + (VA − 15)/10 = 0

Знайдіть VA

VA = (12/2 + 6/5 + 15/10) / (1/2 + 1/5 + 1/10) = 8,7/0,8 = 10,88 V

Струм гілки

Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.

I1 = (12 − VA)/R1 = (12 − 10,88)/2 = 0,5625 A

Відповідь

I1 = 0,5625 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 7,895 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.

ЗСК для вузла A

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3·VA − 0,03333·VB = 1

ЗСК для вузла B

Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,4333·VA + 0,08333·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,3)(0,08333) − (−0,03333)(−0,4333) = 0,01056
VA = Δ1/Δ = 0,08333/0,01056 = 7,895 V
VB = Δ2/Δ = 0,4333/0,01056 = 41,05 V

Відповідь

VA = 7,895 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 2,727 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​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​12 ΩA+−V2​6 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 + 12(I1 − I2) = 18
15·I1 − 12·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
2·I2 + 12(I2 − I1) = (−6)
−12·I1 + 14·I2 = −6

Розв’яжіть

Δ = (15)(14) − (−12)(−12) = 66
I1 = Δ1/Δ = 180/66 = 2,727 A
I2 = Δ2/Δ = 126/66 = 1,909 A

Відповідь

I1 = 2,727 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR5 = 11,43 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​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR4​15 ΩAR5​3 ΩB+−V2​24 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
25·I1 + 15(I1 − I2) = 9
40·I1 − 15·I2 = 9

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 + 15(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 30·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) = (−24)
−3·I2 + 6·I3 = −24

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 5490
I1 = Δ1/Δ = 459/5490 = 0,08361 A
I2 = Δ2/Δ = −2070/5490 = −0,377 A
I3 = Δ3/Δ = −22995/5490 = −4,189 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 3,811 A
VR5 = IR5·R5 = 3,811·3 = 11,43 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 5 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 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 = 10+20 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
VA = 10·6,316/(10+6,316) = 3,871 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,871·20/30 = 2,581 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,581 − 0)/20 = 0,129 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R2 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 14,44 = 8,387 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·8,387 = −12,58 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −12,58·4,444/14,44 = −3,871 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−12,58 − 0)/20 = −0,629 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,129 + (−0,629) = −0,5 A

Потужність у резисторі

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

PR4 = IR4²·R4 = (−0,5)²·20 = 5 W

Відповідь

PR4 = 5 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 8,247 W, а це неправильно.

8.Метод накладання

Відповідь: IR3 = −0,729 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​ = 30 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​18 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 ∥ 7 = 2,1 Ω
VA = 18·2,1/(30+2,1) = 1,178 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,178·2/7 = 0,3364 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,178 − 0)/3 = 0,3925 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​3 ΩAIs​1,5 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 = 2,727 Ω, тож лівий шлях — R2+2,727 = 7,727 Ω
Req = R4 ∥ 7,727 = 1,589 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·1,589 = −2,383 V
VA = VB·2,727/7,727 = −0,8411 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−0,8411 − 0)/3 = −0,2804 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​3 ΩAОБРИВB−+V2​9 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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·7,727/9,727 = −7,15 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7,15·2,727/7,727 = −2,523 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−2,523 − 0)/3 = −0,8411 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,3925 + (−0,2804) + (−0,8411) = −0,729 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,4348 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​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​10 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 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) = 10·10/(5+10) = 6,667 V
Rth​ = 5,333 Ω+−Vth​6,667 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) = 6,667/(5,333 + 10) = 0,4348 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 50,91 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​ = 30 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​25 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 = 30·25/(30+25) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 4 = 17,64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​25 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) = 6,818 + 2,5·13,64 = 40,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 40,91 + 2,5·4 = 50,91 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 2,105 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 + 47/10 = 5,7

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/5,7 = 2,105 V

Відповідь

Vin,max = 2,105 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 1,702 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 · 0,47 µF = 4,7 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −(−0,8)/4,7 = 0,1702 V/ms

Вихідна напруга в заданий момент

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,8)·10/4,7 = 1,702 V

Відповідь

Vout = 1,702 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 1,77 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

τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms

Виразіть час

0,2 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,2)
t = 1,1·ln(5) = 1,77 ms

Відповідь

t = 1,77 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,4062 A

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

До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.

i(0) = 9/10 = 0,9 A
i(∞) = 9/(10 + 22) = 0,2813 A
τ = L/R = 100/32 = 3,125 ms
i(t) = 0,2813 + (0,9 − 0,2813)·e−t/τ

Струм у заданий момент

i(5) = 0,2813 + (0,6188)·e−5/3,125 = 0,4062 A

Відповідь

i = 0,4062 A

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