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​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​15 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​8 ΩBR6​6 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 6 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​2 A

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

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 8,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩVA = 8,5 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩIR3​A+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IR3 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩIR2​R3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​30 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 20 Ω
IR2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​3 A

За методом накладання знайдіть потужність PR1, яку споживає R1.

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ω
PR1 = W
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​18 VR3​4 ΩAIs​2,5 AB+−V2​36 V

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 18 VIs = 2,5 AV2 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
PR4 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩARL​2 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 2 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​2 ABRL​6 ΩIL​

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 47 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 = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 1,1 VR1​ = 1 kΩV2​ = −2 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 1,1 VV2 = −2 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 ΩL33 mHi(t)

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

Vs = 15 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 500 ms.

Vs = 9 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 Vt = 500 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 9,667 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​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​10 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 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 3 + 6,667 = 9,667 Ω

Відповідь

Req = 9,667 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 16,27 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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​8 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 = 6 + 6 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 4,8 Ω
R3 + 4,8 = 14,8 Ω
R2 ∥ 14,8 = 4,269 Ω
Req = R1 + 4,269 = 12 + 4,269 = 16,27 Ω

Відповідь

Req = 16,27 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR3 = −0,9687 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​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​2 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 9 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/3 + (VA − 9)/2 + (VA − VB)/6 = 0
VA − 0,1667·VB = 4,5

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/12 + (VB − VA)/6 = 2
−0,1667·VA + 0,25·VB = 2

Розв’яжіть

Δ = (1)(0,25) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2222
VA = Δ1/Δ = 1,458/0,2222 = 6,563 V
VB = Δ2/Δ = 2,75/0,2222 = 12,38 V

Відповідь

IR3 = (VA − VB)/R3 = (6,563 − 12,38)/6 = −0,9687 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 5,397 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
(8,5 − 5)/2 + 8,5/5 = (VB − 8,5)/6
3,45 = (VB − 8,5)/6 → VB = 29,2 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 = (29,2 − 8,5)/6 + 29,2/15 = 5,397 A

Відповідь

Is = 5,397 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = 2,259 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​ = 8 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​5 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
8·I1 + 5(I1 − I2) = 24
13·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 5(I2 − I1) = (−18)
−5·I1 + 15·I2 = −18

Розв’яжіть

Δ = (13)(15) − (−5)(−5) = 170
I1 = Δ1/Δ = 270/170 = 1,588 A
I2 = Δ2/Δ = −114/170 = −0,6706 A

Відповідь

IR3 = I1 − I2 = 2,259 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = 0,6196 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 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​30 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 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 + 30(I1 − I2) = 18
33·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 30(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 52·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 50·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 27600
I1 = Δ1/Δ = 30600/27600 = 1,109 A
I2 = Δ2/Δ = 17100/27600 = 0,6196 A
I3 = Δ3/Δ = −1440/27600 = −0,05217 A

Відповідь

IR2 = I2 = 0,6196 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: PR1 = 31,19 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​12 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 = 8+12 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VA = 30·4/(6+4) = 12 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12·12/20 = 7,2 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 12)/6 = 3 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​3 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 10,73 = 5,664 Ω
VB = Is·Req = 3·5,664 = 16,99 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 16,99·2,727/10,73 = 4,32 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4,32)/6 = −0,72 A

Додайте внески струму

IR1 = IR1′ + IR1″ = 3 + (−0,72) = 2,28 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 = 2,28²·6 = 31,19 W

Відповідь

PR1 = 31,19 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 57,11 W, а це неправильно.

8.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 82,95 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​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​18 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 ∥ 27 = 3,484 Ω
VA = 18·3,484/(20+3,484) = 2,67 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,67·15/27 = 1,484 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,484 − 0)/15 = 0,0989 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​4 ΩAIs​2,5 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R3 = 3,333 Ω, тож лівий шлях — R2+3,333 = 15,33 Ω
Req = R4 ∥ 15,33 = 7,582 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·7,582 = −18,96 V
VA = VB·3,333/15,33 = −4,121 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−18,96 − 0)/15 = −1,264 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​4 ΩAОБРИВB+−V2​36 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 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·15,33/30,33 = 18,2 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 18,2·3,333/15,33 = 3,956 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (18,2 − 36)/15 = −1,187 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,0989 + (−1,264) + (−1,187) = −2,352 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 = (−2,352)²·15 = 82,95 W

Відповідь

PR4 = 82,95 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 45,23 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,2812 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​ = 20 ΩR3​ = 2 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 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 2 = 3,818 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 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/(20+2) = 1,636 V
Rth​ = 3,818 Ω+−Vth​1,636 VRL​2 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) = 1,636/(3,818 + 2) = 0,2812 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = −1,363 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​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​2 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 15 = 16,6 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​2 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) = 2,4 + (−2)·1,6 = −0,8 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,8 + (−2)·15 = −30,8 V
Rth​ = 16,6 Ω−+Vth​30,8 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) = −30,8/(16,6 + 6) = −1,363 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 2,281 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| = 13/5,7 = 2,281 V

Відповідь

Vin,max = 2,281 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −1,349 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 = 1,1/1 = 1,1 mA
I2 = V2/R2 = −2/4,7 = −0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,6745 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −2·0,6745 = −1,349 V

Відповідь

Vout = −1,349 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 3,61 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 = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0,3191 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 = 15·e−1/0,7021 = 3,61 V

Відповідь

vL = 3,61 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 8,521 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 9 + (8 − 9)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(500) = 9 + (−1)·e−500/680 = 8,521 V

Відповідь

vC = 8,521 V

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