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​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​10 Ω

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

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 10 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​15 Ω+−V1​30 VI1​R2​10 Ω−+V2​6 VR3​8 Ω+−V3​10 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 = 30 VR1 = 15 ΩV2 = 6 VR2 = 10 ΩV3 = 10 VR3 = 8 Ω
I1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​2 ΩBIs​6 A−+V2​24 V

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

V1 = 15 VIs = 6 AV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​4 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩAR5​5 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 Ω
I3 = 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 = 6 V і Is = 3 mA I = 2,7 mA; при Vs = 20 V і Is = 1 mA I = 5,4 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 15 V і Is = 2 mA.

6 V, 3 mA → 2,7 mA20 V, 1 mA → 5,4 mAVs = 15 V, Is = 2 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩIR3​AIs​1 AB+−V2​6 V

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

V1 = 6 VIs = 1 AV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​3 ABab

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

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = −1,7 VR1​ = 100 kΩV2​ = 2,2 VR3​ = 100 kΩR4​ = 47 kΩ

Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = −1,7 VV2 = 2,2 VR1 = R3 = 100 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 0,9 VR1​ = 2 kΩV2​ = −0,9 VR2​ = 1 kΩ

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 0,9 VV2 = −0,9 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​24 Vt = 0R = 15 ΩL22 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.

Vs = 24 VR = 15 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​30 Vрозмикається при t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 4,7 kΩC68 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 80 ms.

Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩC = 68 µFt = 80 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 1,548 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​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​6 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 6·32/(6+32) = 5,053 Ω
Req = R1 + 5,053 = 8 + 5,053 = 13,05 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 24/13,05 = 1,839 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,839·8 = 9,29 V
IR2 = VA/R2 = 9,29/6 = 1,548 A

Відповідь

IR2 = 1,548 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 1,645 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​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​10 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 28,11 Ω
R2 ∥ 28,11 = 4,945 Ω
Req = R1 + 4,945 = 6 + 4,945 = 10,94 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 18/10,94 = 1,645 A

Відповідь

IR1 = 1,645 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: I1 = 1,394 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 − 30)/15 + (VA − (−6))/10 + (VA − 10)/8 = 0

Знайдіть VA

VA = (30/15 + (−6)/10 + 10/8) / (1/15 + 1/10 + 1/8) = 2,65/0,2917 = 9,086 V

Струм гілки

Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.

I1 = (30 − VA)/R1 = (30 − 9,086)/15 = 1,394 A

Відповідь

I1 = 1,394 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 9,282 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​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​2 ΩBIs​6 A−+V2​24 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 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/10 + (VA − 15)/8 + (VA − VB)/30 = 0
0,2583·VA − 0,03333·VB = 1,875

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)/30 + (VB − (−24))/25 = 6
−0,03333·VA + 0,5733·VB = 5,04

Розв’яжіть

Δ = (0,2583)(0,5733) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,147
VA = Δ1/Δ = 1,243/0,147 = 8,456 V
VB = Δ2/Δ = 1,365/0,147 = 9,282 V

Відповідь

VB = 9,282 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 0,9722 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​ = 12 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​4 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 18
16·I1 − 4·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 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 10·I2 = −10

Розв’яжіть

Δ = (16)(10) − (−4)(−4) = 144
I1 = Δ1/Δ = 140/144 = 0,9722 A
I2 = Δ2/Δ = −88/144 = −0,6111 A

Відповідь

I1 = 0,9722 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −4,194 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​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩAR5​5 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
2·I1 + 6(I1 − I2) = 24
8·I1 − 6·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
2·I2 + 6(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 13·I2 − 5·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
4·I3 + 5(I3 − I2) = (−36)
−5·I2 + 9·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 412
I1 = Δ1/Δ = 1128/412 = 2,738 A
I2 = Δ2/Δ = −144/412 = −0,3495 A
I3 = Δ3/Δ = −1728/412 = −4,194 A

Відповідь

I3 = −4,194 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 4,55 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
6·k₁ + 3·k₂ = 2,7
20·k₁ + 1·k₂ = 5,4

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (6)(1) − (3)(20) = −54
k₁ = Δ1/Δ = −13,5/−54 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = −21,6/−54 = 0,4
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = 0,4

Обчисліть новий струм

I = 0,25·15 + 0,4·2 = 4,55 mA

Відповідь

I = 4,55 mA
8.Метод накладання

Відповідь: IR3 = 0,4007 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​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​6 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 ∥ 13 = 3,059 Ω
VA = 6·3,059/(15+3,059) = 1,016 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,016·3/13 = 0,2345 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,016 − 0)/4 = 0,2541 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 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 = 3,158 Ω, тож лівий шлях — R2+3,158 = 13,16 Ω
Req = R4 ∥ 13,16 = 2,443 Ω
VB = Is·Req = (−1)·2,443 = −2,443 V
VA = VB·3,158/13,16 = −0,5863 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−0,5863 − 0)/4 = −0,1466 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​4 ΩAОБРИВB+−V2​6 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·13,16/16,16 = 4,886 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,886·3,158/13,16 = 1,173 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,173 − 0)/4 = 0,2932 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,2541 + (−0,1466) + 0,2932 = 0,4007 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,1667 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​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​2 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 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 6 = 7,714 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​2 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) = 9·2/(12+2) = 1,286 V
IN​0,1667 ARth​7,714 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 = 1,286/7,714 = 0,1667 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 3,364 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​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 12 = 17,22 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​3 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) = 6,261 + 3·5,217 = 21,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,91 + 3·12 = 57,91 V
IN​3,364 ARth​17,22 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 = 57,91/17,22 = 3,364 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 1,833 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.

Напруга на входах

Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2,2·47/(100 + 47) = 0,7034 V
V₋ = V₊

ЗСК для інвертувального входу

(−1,7 − 0,7034)/100 = (0,7034 − Vout)/47
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (47/100)·(2,2 − (−1,7)) = 1,833 V

Відповідь

Vout = 1,833 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 4,5 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.

Вхідні струми

V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.

I1 = V1/R1 = 0,9/2 = 0,45 mA
I2 = V2/R2 = −0,9/1 = −0,9 mA
If = I1 + I2 = −0,45 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −10·(−0,45) = 4,5 V

Відповідь

Vout = 4,5 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 12,14 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 = 22 mH / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 24/15 = 1,6 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 = 24·e−1/1,467 = 12,14 V

Відповідь

vL = 12,14 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 19,26 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.

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

vC(0) = 30·4,7/(1 + 4,7) = 24,74 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 4,7·68 = 319,6 ms

Розряджання

vC(t) = 24,74·e−80/319,6 = 19,26 V

Відповідь

vC = 19,26 V

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