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​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​2 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAR4​25 ΩBR6​6 Ω

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

V1 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 25 ΩR5 = 10 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBIs​?

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

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩVA = 5,5 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 6 ΩR2​ = 12 Ω+−VR2​+−V1​9 VR3​15 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
VR2 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR4​20 Ω+−VR4​AR5​8 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 8 Ω
VR4 = V
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 = 8 V і Is = 5 mA I = 12,1 mA; при Vs = 15 V і Is = 3 mA I = 19,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 15 V і Is = 1 mA.

8 V, 5 mA → 12,1 mA15 V, 3 mA → 19,5 mAVs = 15 V, Is = 1 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 Ω+−VR2​R4​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩAIs​1 AB+−V2​10 V

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

V1 = 30 VIs = 1 AV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
VR2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAIs​1 ABRL​20 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 20 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩRL = 20 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 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 = 22 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Vin​V1​Vout​каскад 1: інвертувальнийR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 10 kΩкаскад 2: неінвертувальнийR2​ = 4,7 kΩRf2​ = 22 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. Вхідна напруга Vin = 0,3 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 22 kΩVin = 0,3 V
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 50 Ωt = 0L100 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 1,5 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 0,3 A? Знайдіть t.

i(0) = 1,5 AR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 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. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 300 ms.

Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 Vt = 300 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 23,23 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​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​2 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 6·7/(6+7) = 3,231 Ω
Req = R1 + 3,231 = 20 + 3,231 = 23,23 Ω

Відповідь

Req = 23,23 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 3,156 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​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAR4​25 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 = 9,756 Ω
R3 + 9,756 = 17,76 Ω
R2 ∥ 17,76 = 9,406 Ω
Req = R1 + 9,406 = 2 + 9,406 = 11,41 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 36/11,41 = 3,156 A

Відповідь

IR1 = 3,156 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 23,42 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​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 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/8 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,5833·VA − 0,125·VB = 8

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/20 + (VB − VA)/8 = 5
−0,125·VA + 0,175·VB = 5

Розв’яжіть

Δ = (0,5833)(0,175) − (−0,125)(−0,125) = 0,08646
VA = Δ1/Δ = 2,025/0,08646 = 23,42 V
VB = Δ2/Δ = 3,917/0,08646 = 45,3 V

Відповідь

VA = 23,42 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 0,2375 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
(5,5 − 15)/20 + 5,5/20 = (VB − 5,5)/10
−0,2 = (VB − 5,5)/10 → VB = 3,5 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 = (3,5 − 5,5)/10 + 3,5/8 = 0,2375 A

Відповідь

Is = 0,2375 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR2 = −17,37 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​ = 6 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​15 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
6·I1 + 15(I1 − I2) = 9
21·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 15(I2 − I1) = (−30)
−15·I1 + 27·I2 = −30

Розв’яжіть

Δ = (21)(27) − (−15)(−15) = 342
I1 = Δ1/Δ = −207/342 = −0,6053 A
I2 = Δ2/Δ = −495/342 = −1,447 A

Відповідь

IR2 = I2 = −1,447 A
VR2 = IR2·R2 = −1,447·12 = −17,37 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR4 = 20,56 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​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR4​20 ΩAR5​8 ΩB+−V2​30 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
3·I1 + 20(I1 − I2) = 24
23·I1 − 20·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 + 20(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 30·I2 − 8·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 + 8(I3 − I2) = (−30)
−8·I2 + 12·I3 = −30

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2008
I1 = Δ1/Δ = 2304/2008 = 1,147 A
I2 = Δ2/Δ = 240/2008 = 0,1195 A
I3 = Δ3/Δ = −4860/2008 = −2,42 A

Відповідь

IR4 = I1 − I2 = 1,028 A
VR4 = IR4·R4 = 1,028·20 = 20,56 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 18,5 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
8·k₁ + 5·k₂ = 12,1
15·k₁ + 3·k₂ = 19,5

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (8)(3) − (5)(15) = −51
k₁ = Δ1/Δ = −61,2/−51 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −25,5/−51 = 0,5
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = 0,5

Обчисліть новий струм

I = 1,2·15 + 0,5·1 = 18,5 mA

Відповідь

I = 18,5 mA
8.Метод накладання

Відповідь: VR2 = 6 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​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​12 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) = 12 ∥ 20 = 7,5 Ω
VA = 30·7,5/(12+7,5) = 11,54 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,54·8/20 = 4,615 V
VR2′ = VA − VB = 11,54 − 4,615 = 6,923 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​12 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 = 6 Ω, тож лівий шлях — R2+6 = 18 Ω
Req = R4 ∥ 18 = 5,538 Ω
VB = Is·Req = (−1)·5,538 = −5,538 V
VA = VB·6/18 = −1,846 V
VR2″ = VA − VB = −1,846 − −5,538 = 3,692 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​12 ΩAОБРИВB+−V2​10 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·18/26 = 6,923 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,923·6/18 = 2,308 V
VR2‴ = VA − VB = 2,308 − 6,923 = −4,615 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 6,923 + 3,692 + (−4,615) = 6 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 2,118 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​ = 15 ΩR3​ = 15 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 15 = 16,76 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 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) = 18·2/(15+2) = 2,118 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 12,48 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​ = 4 ΩR3​ = 30 ΩКЗR2​6 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 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 30 = 32,4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​6 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) = 9 + 1·2,4 = 11,4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,4 + 1·30 = 41,4 V
Rth​ = 32,4 Ω+−Vth​41,4 VRL​20 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) = 41,4/(32,4 + 20) = 0,7901 A
PL = IL²·RL = 0,7901²·20 = 12,48 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 3,826 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 + 47/22 = 3,136

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/3,136 = 3,826 V

Відповідь

Vin,max = 3,826 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −3,626 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 кожного каскаду

A1 = −Rf1/R1 = −10/4,7 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/4,7 = 5,681

Каскад за каскадом

V1 = −2,128·0,3 = −0,6383 V
Vout = 5,681·(−0,6383) = −3,626 V

Відповідь

Vout = −3,626 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 3,219 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 = 100 mH / 50 Ω = 2 ms

Виразіть час

0,3 = 1,5·e−t/τ → t = τ·ln(1,5/0,3)
t = 2·ln(5) = 3,219 ms

Відповідь

t = 3,219 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 12,44 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 = 12 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 12 + (20 − 12)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(300) = 12 + (8)·e−300/103,4 = 12,44 V

Відповідь

vC = 12,44 V

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