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​ = 12 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​4 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​10 ΩBR6​25 Ω

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

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 20 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 9 VIs​3 AAR1​12 ΩR2​12 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 VA (відносно землі).

Is = 3 AVs = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 12 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 10 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​10 VR3​25 ΩAR5​15 ΩBIs​5 A+−V2​30 V

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

V1 = 10 VIs = 5 AV2 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 10 ΩR5 = 15 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​5 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 10 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−VR3​+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​8 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR3 на R3 з указаною полярністю.

V1 = 10 VV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 8 Ω
VR3 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​3 ΩBIs​5 A

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

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​30 VR3​8 ΩAIs​5 AB+−V2​12 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.

V1 = 30 VIs = 5 AV2 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 1 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 = 1 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −0,3 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,3 VR2​ = 1 kΩIf​

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.

V1 = −0,3 VV2 = 0,3 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 20 ΩL150 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 10 ms.

Vs = 5 VR = 20 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​15 Vt = 0R = 100 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 12 V, рівно через 250 ms після старту. При R = 100 kΩ знайдіть потрібну ємність C.

Vs = 15 VVth = 12 VT = 250 msR = 100 kΩ
C = µF

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,7407 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​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​4 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 = 2 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R1 + 1,5 = 12 + 1,5 = 13,5 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 10/13,5 = 0,7407 A

Відповідь

IR1 = 0,7407 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,581 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​ = 10 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​10 ΩBR6​25 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 = 20 + 25 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 8,182 Ω
R3 + 8,182 = 12,18 Ω
R2 ∥ 12,18 = 5,492 Ω
Req = R1 + 5,492 = 10 + 5,492 = 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 = 9/15,49 = 0,581 A

Відповідь

IR1 = 0,581 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 13,5 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 + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/12 + (VA + 9)/12 = 3
VA = (3 − 9/12)/(1/12 + 1/12) = 13,5 V
VB = 13,5 + 9 = 22,5 V

Відповідь

VA = 13,5 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = −0,9753 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​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​10 VR3​25 ΩAR5​15 ΩBIs​5 A+−V2​30 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 V, V2 = 30 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/25 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/10 = 0
0,24·VA − 0,1·VB = 1

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/15 + (VB − VA)/10 + (VB − 30)/10 = 5
−0,1·VA + 0,2667·VB = 8

Розв’яжіть

Δ = (0,24)(0,2667) − (−0,1)(−0,1) = 0,054
VA = Δ1/Δ = 1,067/0,054 = 19,75 V
VB = Δ2/Δ = 2,02/0,054 = 37,41 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 19,75)/10 = −0,9753 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 1,012 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​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​5 ΩA+−V2​9 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 + 5(I1 − I2) = 18
17·I1 − 5·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
20·I2 + 5(I2 − I1) = (−9)
−5·I1 + 25·I2 = −9

Розв’яжіть

Δ = (17)(25) − (−5)(−5) = 400
I1 = Δ1/Δ = 405/400 = 1,012 A
I2 = Δ2/Δ = −63/400 = −0,1575 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,012 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR3 = −3,517 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​ = 10 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​8 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
10·I1 + 20(I1 − I2) = 10
30·I1 − 20·I2 = 10

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
15·I2 + 20(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 43·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
30·I3 + 8(I3 − I2) = (−6)
−8·I2 + 38·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 31900
I1 = Δ1/Δ = 14740/31900 = 0,4621 A
I2 = Δ2/Δ = 6160/31900 = 0,1931 A
I3 = Δ3/Δ = −3740/31900 = −0,1172 A

Відповідь

IR3 = I3 = −0,1172 A
VR3 = IR3·R3 = −0,1172·30 = −3,517 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR3 = −0,6325 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​3 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 = 5+3 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
VA = 10·5,217/(2+5,217) = 7,229 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,229·3/8 = 2,711 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (7,229 − 2,711)/5 = 0,9036 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​15 ΩAR4​3 ΩBIs​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.

R1 ∥ R2 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 6,765 = 2,078 Ω
VB = Is·Req = 5·2,078 = 10,39 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,39·1,765/6,765 = 2,711 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (2,711 − 10,39)/5 = −1,536 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,9036 + (−1,536) = −0,6325 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: IR4 = −1,507 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​ = 30 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 ∥ 35 = 6,512 Ω
VA = 30·6,512/(30+6,512) = 5,35 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,35·30/35 = 4,586 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (4,586 − 0)/30 = 0,1529 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​8 ΩAIs​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 = 6,316 Ω, тож лівий шлях — R2+6,316 = 11,32 Ω
Req = R4 ∥ 11,32 = 8,217 Ω
VB = Is·Req = (−5)·8,217 = −41,08 V
VA = VB·6,316/11,32 = −22,93 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−41,08 − 0)/30 = −1,369 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·11,32/41,32 = 3,287 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,287·6,316/11,32 = 1,834 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3,287 − 12)/30 = −0,2904 A

Додайте складові

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1529 + (−1,369) + (−0,2904) = −1,507 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 5,143 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​ = 2 ΩR3​ = 2 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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 2 = 3,714 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 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) = 6·12/(2+12) = 5,143 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 2,778 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​ = 30 ΩКЗR2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 30 = 33,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​10 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) = 9,375 + 2,5·3,75 = 18,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,75 + 2,5·30 = 93,75 V
IN​2,778 ARth​33,75 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 = 93,75/33,75 = 2,778 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 0,2708 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 + 47/1 = 48

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/48 = 0,2708 V

Відповідь

Vin,max = 0,2708 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = 0,2362 mA

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 = −0,3/4,7 = −0,06383 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/1 = 0,3 mA
If = I1 + I2 = 0,2362 mA

Відповідь

If = 0,2362 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 1,318 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 = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 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 = 5·e−10/7,5 = 1,318 V

Відповідь

vL = 1,318 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: C = 1,553 µF

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.

Потрібна стала часу

12 = 15·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(15/(15 − 12))
τ = 250/1,609 = 155,3 ms

Ємність

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

C = τ/R = 155,3/100 = 1,553 µF

Відповідь

C = 1,553 µF

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