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​ = 5 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​15 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBR6​6 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 6 VIs​1 AAR1​10 ΩR2​10 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 VB (відносно землі).

Is = 1 AVs = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 10 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​25 ΩAR5​15 ΩBIs​1,5 A+−V2​18 V

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

V1 = 5 VIs = 1,5 AV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 3 ΩR5 = 15 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 15 Ω+−VR1​R2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR1 на R1 з указаною полярністю.

V1 = 24 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
VR1 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR4​3 ΩIR4​AR5​5 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 ΩR5 = 5 Ω
IR4 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBIs​3 A

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

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​36 V

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

V1 = 12 VIs = 2,5 AV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​3 ABRL​15 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 15 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 8.

R1 = 100 kΩAv = 8
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = 2,9 VR = 10 kΩ

Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 2,9 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 0,5 ms.

Vin = 2,9 VR = 10 kΩC = 0,1 µFVsat = ±12 Vt = 0,5 ms
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 33 Ωt = 0L22 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 2 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​20 Vt = 0R = 1 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 18 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 19,4 V? Знайдіть t.

Vs = 20 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 18 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,6957 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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
Req = R1 + 9,375 = 5 + 9,375 = 14,38 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 10/14,38 = 0,6957 A

Відповідь

IR1 = 0,6957 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 10,95 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 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​15 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 = 12 + 6 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 8,182 Ω
R3 + 8,182 = 13,18 Ω
R2 ∥ 13,18 = 7,945 Ω
Req = R1 + 7,945 = 3 + 7,945 = 10,95 Ω

Відповідь

Req = 10,95 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 8 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 + 6
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/10 + (VA + 6)/10 = 1
VA = (1 − 6/10)/(1/10 + 1/10) = 2 V
VB = 2 + 6 = 8 V

Відповідь

VB = 8 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 6,765 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​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​25 ΩAR5​15 ΩBIs​1,5 A+−V2​18 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 5 V, V2 = 18 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 − 5)/20 + (VA − VB)/10 = 0
0,19·VA − 0,1·VB = 0,25

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 − 18)/3 = (−1,5)
−0,1·VA + 0,5·VB = 4,5

Розв’яжіть

Δ = (0,19)(0,5) − (−0,1)(−0,1) = 0,085
VA = Δ1/Δ = 0,575/0,085 = 6,765 V
VB = Δ2/Δ = 0,88/0,085 = 10,35 V

Відповідь

VA = 6,765 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR1 = 18 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​ = 15 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​4 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
15·I1 + 4(I1 − I2) = 24
19·I1 − 4·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 + 4(I2 − I1) = (−9)
−4·I1 + 14·I2 = −9

Розв’яжіть

Δ = (19)(14) − (−4)(−4) = 250
I1 = Δ1/Δ = 300/250 = 1,2 A
I2 = Δ2/Δ = −75/250 = −0,3 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,2 A
VR1 = IR1·R1 = 1,2·15 = 18 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR4 = 1,171 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​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR4​3 ΩAR5​5 ΩB+−V2​18 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 18
18·I1 − 3·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
20·I2 + 3(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 28·I2 − 5·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
6·I3 + 5(I3 − I2) = (−18)
−5·I2 + 11·I3 = −18

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4995
I1 = Δ1/Δ = 4824/4995 = 0,9658 A
I2 = Δ2/Δ = −1026/4995 = −0,2054 A
I3 = Δ3/Δ = −8640/4995 = −1,73 A

Відповідь

IR4 = I1 − I2 = 1,171 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR3 = −1,448 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​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​8 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 = 3+8 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
VA = 18·2,357/(8+2,357) = 4,097 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,097·8/11 = 2,979 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4,097 − 2,979)/3 = 0,3724 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​3 ΩAR4​8 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 5,182 = 3,145 Ω
VB = Is·Req = 3·3,145 = 9,434 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,434·2,182/5,182 = 3,972 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (3,972 − 9,434)/3 = −1,821 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,3724 + (−1,821) = −1,448 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: IR3 = 1,173 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​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​15 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) = 15 ∥ 40 = 10,91 Ω
VA = 12·10,91/(25+10,91) = 3,646 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,646·15/40 = 1,367 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,646 − 0)/15 = 0,243 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​15 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.

R1 ∥ R3 = 9,375 Ω, тож лівий шлях — R2+9,375 = 34,38 Ω
Req = R4 ∥ 34,38 = 10,44 Ω
VB = Is·Req = 2,5·10,44 = 26,11 V
VA = VB·9,375/34,38 = 7,12 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (7,12 − 0)/15 = 0,4747 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​15 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 = 25·15/(25+15) = 9,375 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·34,38/49,38 = 25,06 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 25,06·9,375/34,38 = 6,835 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (6,835 − 0)/15 = 0,4557 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,243 + 0,4747 + 0,4557 = 1,173 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 18 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​ = 5 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​15 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 12 = 15,75 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​15 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) = 24·15/(5+15) = 18 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 70,91 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​3 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 30 = 31,71 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​3 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) = 6,429 + 3·1,714 = 11,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,57 + 3·30 = 101,6 V
Rth​ = 31,71 Ω+−Vth​101,6 VRL​15 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) = 101,6/(31,71 + 15) = 2,174 A
PL = IL²·RL = 2,174²·15 = 70,91 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 700 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 = (8 − 1)·100 = 700 kΩ

Відповідь

Rf = 700 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −1,45 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.

Вхідний струм і швидкість наростання

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

RC = 10 kΩ · 0,1 µF = 1 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −2,9/1 = −2,9 V/ms

Вихідна напруга в заданий момент

Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.

Vout = −Vin·t/(RC) = −2,9·0,5/1 = −1,45 V

Відповідь

Vout = −1,45 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,4463 A

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 = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms

Спадання струму

i(t) = 2·e−1/0,6667 = 0,4463 A

Відповідь

i = 0,4463 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 39,73 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 1 kΩ · 33 µF = 33 ms
vC(t) = 20 + (18 − 20)·e−t/τ

Виразіть час

19,4 = 20 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (19,4 − 20)/(18 − 20) = 0,3
t = τ·ln((18 − 20)/(19,4 − 20)) = 33·ln(3,333) = 39,73 ms

Відповідь

t = 39,73 ms

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