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​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​4 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​5 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩR5 = 10 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​2 Ω+−V1​24 VR2​2 Ω+−V2​24 VR3​4 ΩI3​A

Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I3 у вітці 3, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩV2 = 24 VR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
I3 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 4 ΩIR1​+−Vs​ = 8 V+−V1​5 VR2​5 ΩAR3​25 ΩBIs​4 A

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 5 VIs = 4 AVs = 8 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 10 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−VR3​+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 ΩR5 = 12 Ω
VR3 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBIs​4 A

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​6 VR3​20 ΩAIs​3 AB−+V2​6 V

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 6 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 Ω
PR4 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​6 ABRL​4 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −1,5 VRa​ = 22 kΩRb​ = 100 kΩ

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

Vin = −1,5 VRa = 22 kΩRb = 100 kΩR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 0,9 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0,7 VR2​ = 47 kΩIf​

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.

V1 = 0,9 VV2 = 0,7 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 10 Ωt = 0L68 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 3 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 = 20 ms.

i(0) = 3 AR = 10 ΩL = 68 mHt = 20 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 VR1​ = 33 ΩR2​ = 33 Ωзамикається при t = 0L22 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 1 ms.

Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 2,16 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​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​4 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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 5 + 8,889 = 13,89 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 30/13,89 = 2,16 A

Відповідь

IR1 = 2,16 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,6602 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​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​15 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 8,571 Ω
R3 + 8,571 = 14,57 Ω
R2 ∥ 14,57 = 7,391 Ω
Req = R1 + 7,391 = 15 + 7,391 = 22,39 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 30/22,39 = 1,34 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,34·15 = 9,903 V
IR2 = VA/R2 = 9,903/15 = 0,6602 A

Відповідь

IR2 = 0,6602 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: I3 = −4,8 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

Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.

(VA − 24)/2 + (VA − 24)/2 + VA/4 = 0

Знайдіть VA

VA = (24/2 + 24/2 + 0/4) / (1/2 + 1/2 + 1/4) = 24/1,25 = 19,2 V

Струм гілки

Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.

I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 19,2)/4 = −4,8 A

Відповідь

I3 = −4,8 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = −1,592 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 − 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Розв’яжіть

(VA − 5)/4 + VA/5 + (VA − 8)/25 = 4
VA·(1/4 + 1/5 + 1/25) = 4 + 5/4 + 8/25 = 5,57
VA = 5,57/0,49 = 11,37 V
VB = 3,367 V

Струм через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 11,37)/4 = −1,592 A

Відповідь

IR1 = −1,592 A

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

5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 0,3 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​ = 10 Ω+−V1​10 VR3​5 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
20·I1 + 5(I1 − I2) = 10
25·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 5(I2 − I1) = (−9)
−5·I1 + 15·I2 = −9

Розв’яжіть

Δ = (25)(15) − (−5)(−5) = 350
I1 = Δ1/Δ = 105/350 = 0,3 A
I2 = Δ2/Δ = −175/350 = −0,5 A

Відповідь

IR1 = I1 = 0,3 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR3 = −5,224 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​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 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) = 18
29·I1 − 25·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
15·I2 + 25(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 52·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
3·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 15·I3 = −24

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 9069
I1 = Δ1/Δ = 4248/9069 = 0,4684 A
I2 = Δ2/Δ = −1602/9069 = −0,1766 A
I3 = Δ3/Δ = −15792/9069 = −1,741 A

Відповідь

IR3 = I3 = −1,741 A
VR3 = IR3·R3 = −1,741·3 = −5,224 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR3 = 1,907 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​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​15 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 = 10+12 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·22/(15+22) = 8,919 Ω
VA = 24·8,919/(20+8,919) = 7,402 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,402·12/22 = 4,037 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (7,402 − 4,037)/10 = 0,3364 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​15 ΩAR4​12 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 18,57 = 7,29 Ω
VB = Is·Req = (−4)·7,29 = −29,16 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −29,16·8,571/18,57 = −13,46 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (−13,46 − −29,16)/10 = 1,57 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,3364 + 1,57 = 1,907 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 36,05 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​ = 30 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 ∥ 42 = 13,55 Ω
VA = 6·13,55/(20+13,55) = 2,423 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,423·30/42 = 1,731 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,731 − 0)/30 = 0,05769 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​20 ΩAIs​3 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 = 10 Ω, тож лівий шлях — R2+10 = 22 Ω
Req = R4 ∥ 22 = 12,69 Ω
VB = −Is·Req = −3·12,69 = −38,08 V
VA = VB·10/22 = −17,31 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−38,08 − 0)/30 = −1,269 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​20 ΩAОБРИВB−+V2​6 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·22/52 = −2,538 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,538·10/22 = −1,154 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−2,538 − −6)/30 = 0,1154 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,05769 + (−1,269) + 0,1154 = −1,096 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 = (−1,096)²·30 = 36,05 W

Відповідь

PR4 = 36,05 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 48,83 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,08 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​ = 5 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 + 5 = 6,818 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 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) = 6·2/(20+2) = 0,5455 V
IN​0,08 ARth​6,818 Ωab

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

IN = Vth/Rth = 0,5455/6,818 = 0,08 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 5,091 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​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​6 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) = 4 + 6·6 = 40 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 40 + 6·12 = 112 V
Rth​ = 18 Ω+−Vth​112 VRL​4 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) = 112/(18 + 4) = 5,091 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −2,459 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −1,5·100/(22 + 100) = −1,23 V

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊, і струм через R₁ тече також через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −1,23·(1 + 22/22) = −2,459 V

Відповідь

Vout = −2,459 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = 0,0558 mA

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 = 0,9/22 = 0,04091 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/47 = 0,01489 mA
If = I1 + I2 = 0,0558 mA

Відповідь

If = 0,0558 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,1584 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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms

Спадання струму

i(t) = 3·e−20/6,8 = 0,1584 A

Відповідь

i = 0,1584 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,1615 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.

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.

i(0) = 6/(33 + 33) = 0,09091 A
i(∞) = 6/33 = 0,1818 A
τ = L/R = 22/33 = 0,6667 ms
i(t) = 0,1818 + (0,09091 − 0,1818)·e−t/τ

Струм у заданий момент

i(1) = 0,1818 + (−0,09091)·e−1/0,6667 = 0,1615 A

Відповідь

i = 0,1615 A

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