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​ = 4 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​2 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBR6​20 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 ΩR5 = 3 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 4 VIx​Is​5 AAR1​8 ΩR2​20 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 = 4 VR1 = 8 ΩR2 = 20 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 4 Ω+−Vs​ = 6 V+−V1​18 VR2​8 ΩAR3​12 ΩBIs​1,5 A

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля A, тож забезпечує VA − VB = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).

V1 = 18 VIs = 1,5 AVs = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 15 Ω+−VR1​R2​ = 10 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
VR1 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR4​15 ΩAR5​12 ΩIR5​B+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 Ω
IR5 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBIs​?

Знайдіть значення джерела струму Is (напрямок як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩIR2​R4​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩAIs​6 AB−+V2​36 V

За методом накладання знайдіть потужність PR2, яку споживає R2.

V1 = 24 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
PR2 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAIs​3 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 100 kΩVin​R1​ = 47 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 47 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Vin​V1​Vout​каскад 1: інвертувальнийR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 10 kΩкаскад 2: неінвертувальнийR2​ = 22 kΩRf2​ = 2 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. Вхідна напруга Vin = 0,25 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 2 kΩVin = 0,25 V
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​20 Vt = 0R = 3,3 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 80 ms.

Vs = 20 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 24 Vt = 80 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 1,952 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​2 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 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 5·14/(5+14) = 3,684 Ω
Req = R1 + 3,684 = 4 + 3,684 = 7,684 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/7,684 = 1,952 A

Відповідь

IR1 = 1,952 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 26,88 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​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBR6​20 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 + 20 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 10,7 Ω
R3 + 10,7 = 12,7 Ω
R2 ∥ 12,7 = 6,877 Ω
Req = R1 + 6,877 = 20 + 6,877 = 26,88 Ω

Відповідь

Req = 26,88 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Ix = 1,571 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 + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/8 + (VA + 4)/20 = 5
VA = (5 − 4/20)/(1/8 + 1/20) = 27,43 V
VB = 27,43 + 4 = 31,43 V

Струм через джерело напруги

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

Ix = VB/R2 = 31,43/20 = 1,571 A

Відповідь

Ix = 1,571 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 14,18 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 − 6
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Розв’яжіть

(VA − 18)/4 + VA/8 + (VA − 6)/12 = 1,5
VA·(1/4 + 1/8 + 1/12) = 1,5 + 18/4 + 6/12 = 6,5
VA = 6,5/0,4583 = 14,18 V
VB = 8,182 V

Відповідь

VA = 14,18 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR1 = 7,2 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​12 VR3​8 ΩA+−V2​6 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 + 8(I1 − I2) = 12
23·I1 − 8·I2 = 12

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 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 18·I2 = −6

Розв’яжіть

Δ = (23)(18) − (−8)(−8) = 350
I1 = Δ1/Δ = 168/350 = 0,48 A
I2 = Δ2/Δ = −42/350 = −0,12 A

Відповідь

IR1 = I1 = 0,48 A
VR1 = IR1·R1 = 0,48·15 = 7,2 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR5 = 0,2855 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 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR4​15 ΩAR5​12 ΩB+−V2​5 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
20·I1 + 15(I1 − I2) = 9
35·I1 − 15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 15(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 37·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
6·I3 + 12(I3 − I2) = (−5)
−12·I2 + 18·I3 = −5

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 14220
I1 = Δ1/Δ = 3798/14220 = 0,2671 A
I2 = Δ2/Δ = 330/14220 = 0,02321 A
I3 = Δ3/Δ = −3730/14220 = −0,2623 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 0,2855 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 1,429 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​20 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 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω
VA = 30·9,189/(15+9,189) = 11,4 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 11,4·12/17 = 8,045 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (11,4 − 8,045)/5 = 0,6704 A

Випадок 2 · діє лише Is

V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ ∥ R₂ з’єднує A із землею. Iₛ розгалужується у вузлі B між R₄ і шляхом R₃ + R₁∥R₂; частина через R₃ тече від B до A, проти стрілки.

R1 ∥ R2 = 8,571 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·12/25,57 = −0,4693·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 0,6704 − 0,4693·Is = 0
Is = 0,6704/0,4693 = 1,429 A

Відповідь

Is = 1,429 A
8.Метод накладання

Відповідь: PR2 = 0,3871 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​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​24 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 ∥ 15 = 7,5 Ω
VA = 24·7,5/(4+7,5) = 15,65 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 15,65·10/15 = 10,43 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (15,65 − 10,43)/5 = 1,043 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​15 ΩAIs​6 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 = 3,158 Ω, тож лівий шлях — R2+3,158 = 8,158 Ω
Req = R4 ∥ 8,158 = 4,493 Ω
VB = Is·Req = 6·4,493 = 26,96 V
VA = VB·3,158/8,158 = 10,43 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (10,43 − 26,96)/5 = −3,304 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·8,158/18,16 = −16,17 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −16,17·3,158/8,158 = −6,261 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−6,261 − −16,17)/5 = 1,983 A

Додайте внески струму

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴ = 1,043 + (−3,304) + 1,983 = −0,2783 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR2 = IR2²·R2 = (−0,2783)²·5 = 0,3871 W

Відповідь

PR2 = 0,3871 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 79,69 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 1,216 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​ = 6 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 4 = 6,727 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​5 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) = 18·5/(6+5) = 8,182 V
IN​1,216 ARth​6,727 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 = 8,182/6,727 = 1,216 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 70,67 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​ = 2 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​4 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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 20 = 21,33 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​4 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) = 6,667 + 3·1,333 = 10,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,67 + 3·20 = 70,67 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 5,64 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 = 100/47 = 2,128

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/2,128 = 5,64 V

Відповідь

Vin,max = 5,64 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,5803 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 кожного каскаду

A1 = −Rf1/R1 = −10/4,7 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/22 = 1,091

Каскад за каскадом

V1 = −2,128·0,25 = −0,5319 V
Vout = 1,091·(−0,5319) = −0,5803 V

Відповідь

Vout = −0,5803 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 4,509 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 = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 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 = 9·e−1/1,447 = 4,509 V

Відповідь

vL = 4,509 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 20,35 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.

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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 20 + (24 − 20)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(80) = 20 + (4)·e−80/33 = 20,35 V

Відповідь

vC = 20,35 V

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