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​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​12 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​12 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 10 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 30 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​20 ΩBIs​2 A+−V2​24 V

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

V1 = 6 VIs = 2 AV2 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 20 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​3 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩAR5​20 Ω+−VR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 Ω
VR5 = 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 = 5 V і Is = 4 mA I = 8 mA; при Vs = 2 V і Is = 10 mA I = 9,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 12 V і Is = 10 mA.

5 V, 4 mA → 8 mA2 V, 10 mA → 9,5 mAVs = 12 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩIR4​+−V1​15 VR3​3 ΩAIs​1 AB−+V2​18 V

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

V1 = 15 VIs = 1 AV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
IR4 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​0,5 ABRL​10 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 10 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 9 VIs = 0,5 AR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩRL = 10 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 25.

R1 = 2 kΩAv = 25
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 1 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 22 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 1 VV2 = 1 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 15 ΩL10 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.

Vs = 5 VR = 15 ΩL = 10 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 12 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 10,8 V? Знайдіть t.

Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 12 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 7,324 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​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​5 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 = 5·32/(5+32) = 4,324 Ω
Req = R1 + 4,324 = 3 + 4,324 = 7,324 Ω

Відповідь

Req = 7,324 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,8801 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​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​4 ΩBR6​12 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 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 3,385 Ω
R3 + 3,385 = 11,38 Ω
R2 ∥ 11,38 = 8,253 Ω
Req = R1 + 8,253 = 3 + 8,253 = 11,25 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 36/11,25 = 3,199 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 3,199·3 = 26,4 V
IR2 = VA/R2 = 26,4/30 = 0,8801 A

Відповідь

IR2 = 0,8801 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR3 = 2,419 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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​2,5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 30 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/2 + (VA − 30)/6 + (VA − VB)/2 = 0
1,167·VA − 0,5·VB = 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)/2 = (−2,5)
−0,5·VA + 0,5833·VB = −2,5

Розв’яжіть

Δ = (1,167)(0,5833) − (−0,5)(−0,5) = 0,4306
VA = Δ1/Δ = 1,667/0,4306 = 3,871 V
VB = Δ2/Δ = −0,4167/0,4306 = −0,9677 V

Відповідь

IR3 = (VA − VB)/R3 = (3,871 − −0,9677)/2 = 2,419 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 8,254 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​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​20 ΩBIs​2 A+−V2​24 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 6 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/30 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/10 = 0
0,1833·VA − 0,1·VB = 0,3

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/20 + (VB − VA)/10 + (VB − 24)/6 = (−2)
−0,1·VA + 0,3167·VB = 2

Розв’яжіть

Δ = (0,1833)(0,3167) − (−0,1)(−0,1) = 0,04806
VA = Δ1/Δ = 0,295/0,04806 = 6,139 V
VB = Δ2/Δ = 0,3967/0,04806 = 8,254 V

Відповідь

VB = 8,254 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 1,057 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​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​3 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
20·I1 + 3(I1 − I2) = 30
23·I1 − 3·I2 = 30

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
8·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 11·I2 = −24

Розв’яжіть

Δ = (23)(11) − (−3)(−3) = 244
I1 = Δ1/Δ = 258/244 = 1,057 A
I2 = Δ2/Δ = −462/244 = −1,893 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,057 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR5 = 21,58 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​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩAR5​20 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
8·I1 + 12(I1 − I2) = 24
20·I1 − 12·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
15·I2 + 12(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 47·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
10·I3 + 20(I3 − I2) = (−36)
−20·I2 + 30·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 15880
I1 = Δ1/Δ = 15600/15880 = 0,9824 A
I2 = Δ2/Δ = −5760/15880 = −0,3627 A
I3 = Δ3/Δ = −22896/15880 = −1,442 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 1,079 A
VR5 = IR5·R5 = 1,079·20 = 21,58 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 19,5 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
5·k₁ + 4·k₂ = 8
2·k₁ + 10·k₂ = 9,5

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (5)(10) − (4)(2) = 42
k₁ = Δ1/Δ = 42/42 = 1
k₂ = Δ2/Δ = 31,5/42 = 0,75
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0,75

Обчисліть новий струм

I = 1·12 + 0,75·10 = 19,5 mA

Відповідь

I = 19,5 mA
8.Метод накладання

Відповідь: IR4 = 2,579 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​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​3 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) = 3 ∥ 9 = 2,25 Ω
VA = 15·2,25/(12+2,25) = 2,368 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,368·3/9 = 0,7895 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0,7895 − 0)/3 = 0,2632 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​3 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 = 2,4 Ω, тож лівий шлях — R2+2,4 = 8,4 Ω
Req = R4 ∥ 8,4 = 2,211 Ω
VB = Is·Req = 1·2,211 = 2,211 V
VA = VB·2,4/8,4 = 0,6316 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (2,211 − 0)/3 = 0,7368 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​3 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·8,4/11,4 = −13,26 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −13,26·2,4/8,4 = −3,789 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−13,26 − −18)/3 = 1,579 A

Додайте складові

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,2632 + 0,7368 + 1,579 = 2,579 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 22,67 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​ = 20 ΩКЗR2​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 20 = 22,67 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 0,4708 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​ = 5 ΩR3​ = 30 ΩКЗR2​25 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 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 30 = 34,17 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​0,5 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) = 7,5 + (−0,5)·4,167 = 5,417 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,417 + (−0,5)·30 = −9,583 V
Rth​ = 34,17 Ω−+Vth​9,583 VRL​10 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) = −9,583/(34,17 + 10) = −0,217 A
PL = IL²·RL = −0,217²·10 = 0,4708 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 48 kΩ

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 неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (25 − 1)·2 = 48 kΩ

Відповідь

Rf = 48 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −7,978 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 вході +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1·22/(4,7 + 22) = 0,824 V

Накладіть дію двох входів

При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.

Vout = −(100/2)·1 + (1 + 100/2)·0,824 = −50 + 42,02 = −7,978 V

Відповідь

Vout = −7,978 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W(∞) = 0,5556 mJ

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 = 10 mH / 15 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A

Накопичена енергія

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·10·0,3333² = 0,5556 mJ

Відповідь

W(∞) = 0,5556 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 24,01 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

Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 9 + (12 − 9)·e−t/τ

Виразіть час

10,8 = 9 + (3)·e−t/τ → e−t/τ = (10,8 − 9)/(12 − 9) = 0,6
t = τ·ln((12 − 9)/(10,8 − 9)) = 47·ln(1,667) = 24,01 ms

Відповідь

t = 24,01 ms

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