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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​3 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBR6​5 Ω

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

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 ΩR5 = 12 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 8 VIx​Is​5 AAR1​8 ΩR2​8 ΩB

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.

Is = 5 AVs = 8 VR1 = 8 ΩR2 = 8 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩAR5​12 ΩBIs​5 A+−V2​36 V

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 ΩR5 = 12 Ω
IR2 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 5 ΩIR1​R2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR4​10 ΩAR5​12 Ω+−VR5​B+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 Ω
VR5 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​3 ΩIR4​BIs​4 A

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
PR4 = W
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​20 Ω+−VR3​AIs​0,5 AB+−V2​18 V

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

V1 = 6 VIs = 0,5 AV2 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
VR3 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​2,5 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩVin​R1​ = 2 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0,3 VR1​ = 1 kΩV2​ = 2 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = −0,3 VV2 = 2 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 ΩL47 mHi(t)

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

Vs = 6 VR = 10 ΩL = 47 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 VR1​ = 20 ΩR2​ = 5 Ωрозмикається при t = 0L47 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Через який час після t = 0 струм котушки досягне 0,405 A? Знайдіть t.

Vs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩL = 47 mH
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 11,5 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​3 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R1 + 1,5 = 10 + 1,5 = 11,5 Ω

Відповідь

Req = 11,5 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,2307 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​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBR6​5 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 9,189 Ω
R3 + 9,189 = 24,19 Ω
R2 ∥ 24,19 = 6,012 Ω
Req = R1 + 6,012 = 20 + 6,012 = 26,01 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 6/26,01 = 0,2307 A

Відповідь

IR1 = 0,2307 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Ix = 3 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.

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 + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/8 + (VA + 8)/8 = 5
VA = (5 − 8/8)/(1/8 + 1/8) = 16 V
VB = 16 + 8 = 24 V

Струм через джерело напруги

Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.

Ix = VB/R2 = 24/8 = 3 A

Відповідь

Ix = 3 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR2 = 0,2965 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​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩAR5​12 ΩBIs​5 A+−V2​36 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 6 V, V2 = 36 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/5 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,45·VA − 0,125·VB = 0,75

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/12 + (VB − VA)/8 + (VB − 36)/8 = (−5)
−0,125·VA + 0,3333·VB = −0,5

Розв’яжіть

Δ = (0,45)(0,3333) − (−0,125)(−0,125) = 0,1344
VA = Δ1/Δ = 0,1875/0,1344 = 1,395 V
VB = Δ2/Δ = −0,1313/0,1344 = −0,9767 V

Відповідь

IR2 = (VA − VB)/R2 = (1,395 − −0,9767)/8 = 0,2965 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 0,3429 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​ = 5 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​24 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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 9
10·I1 − 5·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
15·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 20·I2 = −24

Розв’яжіть

Δ = (10)(20) − (−5)(−5) = 175
I1 = Δ1/Δ = 60/175 = 0,3429 A
I2 = Δ2/Δ = −195/175 = −1,114 A

Відповідь

IR1 = I1 = 0,3429 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR5 = 3,862 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​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR4​10 ΩAR5​12 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 10
18·I1 − 10·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
5·I2 + 10(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 27·I2 − 12·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
15·I3 + 12(I3 − I2) = (−6)
−12·I2 + 27·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 7830
I1 = Δ1/Δ = 5130/7830 = 0,6552 A
I2 = Δ2/Δ = 1404/7830 = 0,1793 A
I3 = Δ3/Δ = −1116/7830 = −0,1425 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 0,3218 A
VR5 = IR5·R5 = 0,3218·12 = 3,862 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 38,53 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​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​5 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 = 10+3 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·13/(5+13) = 3,611 Ω
VA = 12·3,611/(6+3,611) = 4,509 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,509·3/13 = 1,04 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,04 − 0)/3 = 0,3468 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​4 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) = 3 ∥ 12,73 = 2,428 Ω
VB = Is·Req = 4·2,428 = 9,711 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,711·2,727/12,73 = 2,081 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (9,711 − 0)/3 = 3,237 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,3468 + 3,237 = 3,584 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 = 3,584²·3 = 38,53 W

Відповідь

PR4 = 38,53 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 31,8 W, а це неправильно.

8.Метод накладання

Відповідь: VR3 = 7,893 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​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​20 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) = 20 ∥ 26 = 11,3 Ω
VA = 6·11,3/(5+11,3) = 4,16 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,16·20/26 = 3,2 V
VR3′ = VA − 0 = 4,16 − 0 = 4,16 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​20 ΩAIs​0,5 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 = 4 Ω, тож лівий шлях — R2+4 = 10 Ω
Req = R4 ∥ 10 = 6,667 Ω
VB = Is·Req = 0,5·6,667 = 3,333 V
VA = VB·4/10 = 1,333 V
VR3″ = VA − 0 = 1,333 − 0 = 1,333 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​20 ΩAОБРИВB+−V2​18 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·10/30 = 6 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6·4/10 = 2,4 V
VR3‴ = VA − 0 = 2,4 − 0 = 2,4 V

Додайте складові

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 4,16 + 1,333 + 2,4 = 7,893 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 6,222 Ω

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​ = 4 ΩКЗR2​5 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 4 = 6,222 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 11 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​ = 8 ΩR3​ = 2 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 + 2 = 3,6 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​2 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) = 2 + 2,5·1,6 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + 2,5·2 = 11 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 5,532 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| = Rf/R1 = 4,7/2 = 2,35

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/2,35 = 5,532 V

Відповідь

Vin,max = 5,532 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −5,9 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 = −0,3/1 = −0,3 mA
I2 = V2/R2 = 2/4,7 = 0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,1255 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −47·0,1255 = −5,9 V

Відповідь

Vout = −5,9 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 0,7147 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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 6/10 = 0,6 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 = 6·e−10/4,7 = 0,7147 V

Відповідь

vL = 0,7147 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 1,303 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.

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

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

i(0) = 9/20 = 0,45 A
i(∞) = 9/(20 + 5) = 0,36 A
τ = L/R = 47/25 = 1,88 ms
i(t) = 0,36 + (0,45 − 0,36)·e−t/τ

Виразіть час

e−t/τ = (0,405 − 0,36)/(0,45 − 0,36) = 0,5
t = 1,88·ln(2) = 1,303 ms

Відповідь

t = 1,303 ms

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