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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAR4​2 ΩBR6​10 Ω

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

V1 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 ΩR5 = 3 ΩR6 = 10 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩAR5​25 ΩBIs​3 A+−V2​36 V

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

V1 = 12 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​25 ΩAR5​30 ΩIR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR5 через R5 у напрямку стрілки.

V1 = 10 VV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 30 Ω
IR5 = A
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 = 10 V і Is = 4 mA I = 5,5 mA; при Vs = 8 V і Is = 10 mA I = 9,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 12 V і Is = 5 mA.

10 V, 4 mA → 5,5 mA8 V, 10 mA → 9,5 mAVs = 12 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​?

Знайдіть значення джерела напруги V2 (полярність як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​1 ABRL​30 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 30 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩRL = 30 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −1,9 V

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

Vin = −1,9 VR1 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Vin​V1​Vout​каскад 1: інвертувальнийR1​ = 22 kΩRf1​ = 100 kΩкаскад 2: неінвертувальнийR2​ = 4,7 kΩRf2​ = 4,7 kΩ

Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Знайдіть загальний коефіцієнт підсилення за напругою Av = Vout/Vin.

R1 = 22 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 4,7 kΩ
Av =
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​12 Vt = 0R = 33 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 5 ms.

Vs = 12 VR = 33 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​15 Vрозмикається при t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 10 kΩi2​C22 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 400 ms.

Vs = 15 VR1 = 2,2 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µFt = 400 ms
i2 = mA

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,4091 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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​6 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 = 4 + 6 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 6 + 5 = 11 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/11 = 0,8182 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,8182·6 = 4,091 V
IR2 = VA/R2 = 4,091/10 = 0,4091 A

Відповідь

IR2 = 0,4091 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,7685 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​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAR4​2 ΩBR6​10 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 = 3 + 10 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 1,733 Ω
R3 + 1,733 = 11,73 Ω
R2 ∥ 11,73 = 3,506 Ω
Req = R1 + 3,506 = 3 + 3,506 = 6,506 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 5/6,506 = 0,7685 A

Відповідь

IR1 = 0,7685 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 12,94 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​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​5 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/5 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/3 = 0
0,6·VA − 0,3333·VB = 0,6

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/10 + (VB − VA)/3 = 5
−0,3333·VA + 0,4333·VB = 5

Розв’яжіть

Δ = (0,6)(0,4333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1489
VA = Δ1/Δ = 1,927/0,1489 = 12,94 V
VB = Δ2/Δ = 3,2/0,1489 = 21,49 V

Відповідь

VA = 12,94 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR2 = −1,542 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​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩAR5​25 ΩBIs​3 A+−V2​36 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 12 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/3 + (VA − 12)/30 + (VA − VB)/20 = 0
0,4167·VA − 0,05·VB = 0,4

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/25 + (VB − VA)/20 + (VB − 36)/12 = 3
−0,05·VA + 0,1733·VB = 6

Розв’яжіть

Δ = (0,4167)(0,1733) − (−0,05)(−0,05) = 0,06972
VA = Δ1/Δ = 0,3693/0,06972 = 5,297 V
VB = Δ2/Δ = 2,52/0,06972 = 36,14 V

Відповідь

IR2 = (VA − VB)/R2 = (5,297 − 36,14)/20 = −1,542 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 1,232 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​ = 10 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩA+−V2​15 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 24
15·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
3·I2 + 5(I2 − I1) = (−15)
−5·I1 + 8·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (15)(8) − (−5)(−5) = 95
I1 = Δ1/Δ = 117/95 = 1,232 A
I2 = Δ2/Δ = −105/95 = −1,105 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,232 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR5 = 0,7534 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​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​25 ΩAR5​30 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
4·I1 + 25(I1 − I2) = 10
29·I1 − 25·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
6·I2 + 25(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 61·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 36·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 15084
I1 = Δ1/Δ = −14040/15084 = −0,9308 A
I2 = Δ2/Δ = −22320/15084 = −1,48 A
I3 = Δ3/Δ = −33684/15084 = −2,233 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 0,7534 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 6,75 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
10·k₁ + 4·k₂ = 5,5
8·k₁ + 10·k₂ = 9,5

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (10)(10) − (4)(8) = 68
k₁ = Δ1/Δ = 17/68 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = 51/68 = 0,75
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = 0,75

Обчисліть новий струм

I = 0,25·12 + 0,75·5 = 6,75 mA

Відповідь

I = 6,75 mA
8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 5,4 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​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​10 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) = 10 ∥ 9 = 4,737 Ω
VA = 6·4,737/(15+4,737) = 1,44 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,44·6/9 = 0,96 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​10 ΩAIs​1,5 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 = 6 Ω, тож лівий шлях — R2+6 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 3,6 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·3,6 = −5,4 V
VA = VB·6/9 = −3,6 V

Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт

V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.

R1 ∥ R3 = 6 Ω
VA‴ = V2·6/(6 + 3 + 6) = 0,4·V2

Прирівняйте VA до нуля

При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,44 + (−3,6) + 0,4·V2 = 0
V2 = 2,16/0,4 = 5,4 V

Відповідь

V2 = 5,4 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 3,6 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​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​4 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 20 = 22,4 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​4 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) = 9·4/(6+4) = 3,6 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 11,72 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​ = 10 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​5 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 20 = 23,33 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​1 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) = 10 + 1·3,333 = 13,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,33 + 1·20 = 33,33 V
Rth​ = 23,33 Ω+−Vth​33,33 VRL​30 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) = 33,33/(23,33 + 30) = 0,625 A
PL = IL²·RL = 0,625²·30 = 11,72 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −5,943 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.

Інвертувальний вхід повторює вхід

V₋ = V₊ = −1,9 V
I = V₋/R1 = −1,9/4,7 = −0,4043 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,9 + (−0,4043)·10 = −5,943 V

Відповідь

Vout = −5,943 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Av = −9,091

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 кожного каскаду

A1 = −Rf1/R1 = −100/22 = −4,545
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/4,7 = 2

Загальний коефіцієнт підсилення

Av = A1·A2 = −4,545·2 = −9,091

Відповідь

Av = −9,091
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 2,305 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 = 100 mH / 33 Ω = 3,03 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0,3636 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 = 12·e−5/3,03 = 2,305 V

Відповідь

vL = 2,305 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i2 = 0,1996 mA

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.

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

vC(0) = 15·10/(2,2 + 10) = 12,3 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 10·22 = 220 ms

Розряджання

vC(t) = 12,3·e−400/220 = 1,996 V
i2 = vC/R2 = 1,996/10 = 0,1996 mA

Відповідь

i2 = 0,1996 mA

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