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​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​4 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​8 ΩB0,1·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,1·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ωg = 0,1 A/V
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 6 ΩR2​ = 12 Ω+−VR2​+−V1​18 VR3​12 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 Ω
VR2 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​15 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I3 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 Ω
I3 = 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 = 15 V і Is = 1 mA I = 17,6 mA; при Vs = 12 V і Is = 3 mA I = 13,2 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 5 V і Is = 5 mA.

15 V, 1 mA → 17,6 mA12 V, 3 mA → 13,2 mAVs = 5 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 10 Ω+−VR2​R4​ = 4 Ω+−V1​36 VR3​6 ΩAIs​0,5 AB+−V2​36 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.

V1 = 36 VIs = 0,5 AV2 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
VR2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩARL​8 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 8 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 6.

R1 = 4,7 kΩAv = 6
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −0,8 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0,2 VR2​ = 4,7 kΩ

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = −0,8 VV2 = 0,2 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 10 ms, у mJ.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 20 ms.

Vs = 6 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 8 Vt = 20 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 1,607 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​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​8 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 8·16/(8+16) = 5,333 Ω
Req = R1 + 5,333 = 4 + 5,333 = 9,333 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/9,333 = 1,607 A

Відповідь

IR1 = 1,607 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 2,171 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBR6​4 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 8 Ω
R3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 5,238 Ω
Req = R1 + 5,238 = 2 + 5,238 = 7,238 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 30/7,238 = 4,145 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 4,145·2 = 21,71 V
IR2 = VA/R2 = 21,71/10 = 2,171 A

Відповідь

IR2 = 2,171 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 21,84 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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 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/15 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,3667·VA − 0,1·VB = 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/12 + (VB − VA)/10 = 1,5
−0,1·VA + 0,1833·VB = 1,5

Розв’яжіть

Δ = (0,3667)(0,1833) − (−0,1)(−0,1) = 0,05722
VA = Δ1/Δ = 1,25/0,05722 = 21,84 V
VB = Δ2/Δ = 1,15/0,05722 = 20,1 V

Відповідь

VA = 21,84 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 10,8 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.

ЗСК для вузла A

Струми, що виходять з A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,2·VA − 0,1·VB = 1,2

ЗСК для вузла B

Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,1·VA
−0,2·VA + 0,225·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,2)(0,225) − (−0,1)(−0,2) = 0,025
VA = Δ1/Δ = 0,27/0,025 = 10,8 V
VB = Δ2/Δ = 0,24/0,025 = 9,6 V

Відповідь

VA = 10,8 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR2 = 4,5 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​ = 6 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​12 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
6·I1 + 12(I1 − I2) = 18
18·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 12(I2 − I1) = (−6)
−12·I1 + 24·I2 = −6

Розв’яжіть

Δ = (18)(24) − (−12)(−12) = 288
I1 = Δ1/Δ = 360/288 = 1,25 A
I2 = Δ2/Δ = 108/288 = 0,375 A

Відповідь

IR2 = I2 = 0,375 A
VR2 = IR2·R2 = 0,375·12 = 4,5 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −1,639 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​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​15 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
6·I1 + 8(I1 − I2) = 18
14·I1 − 8·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
6·I2 + 8(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 29·I2 − 15·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
5·I3 + 15(I3 − I2) = (−24)
−15·I2 + 20·I3 = −24

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 3690
I1 = Δ1/Δ = 3510/3690 = 0,9512 A
I2 = Δ2/Δ = −2160/3690 = −0,5854 A
I3 = Δ3/Δ = −6048/3690 = −1,639 A

Відповідь

I3 = −1,639 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 4 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
15·k₁ + 1·k₂ = 17,6
12·k₁ + 3·k₂ = 13,2

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (15)(3) − (1)(12) = 33
k₁ = Δ1/Δ = 39,6/33 = 1,2
k₂ = Δ2/Δ = −13,2/33 = −0,4
k₁ = 1,2 mA/V, k₂ = −0,4

Обчисліть новий струм

I = 1,2·5 + (−0,4)·5 = 4 mA

Відповідь

I = 4 mA
8.Метод накладання

Відповідь: VR2 = −7,097 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​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​36 VR3​6 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) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VA = 36·4,2/(2+4,2) = 24,39 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 24,39·4/14 = 6,968 V
VR2′ = VA − VB = 24,39 − 6,968 = 17,42 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​6 ΩAIs​0,5 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 = 1,5 Ω, тож лівий шлях — R2+1,5 = 11,5 Ω
Req = R4 ∥ 11,5 = 2,968 Ω
VB = Is·Req = 0,5·2,968 = 1,484 V
VA = VB·1,5/11,5 = 0,1935 V
VR2″ = VA − VB = 0,1935 − 1,484 = −1,29 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·11,5/15,5 = 26,71 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 26,71·1,5/11,5 = 3,484 V
VR2‴ = VA − VB = 3,484 − 26,71 = −23,23 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 17,42 + (−1,29) + (−23,23) = −7,097 V

Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,625 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​ = 4 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 4 = 12,57 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 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) = 30·15/(20+15) = 12,86 V
Rth​ = 12,57 Ω+−Vth​12,86 VRL​8 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) = 12,86/(12,57 + 8) = 0,625 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 2,969 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​ = 5 ΩR3​ = 12 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 12 = 14,22 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​2,5 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) = 6,667 + 2,5·2,222 = 12,22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,22 + 2,5·12 = 42,22 V
IN​2,969 ARth​14,22 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 = 42,22/14,22 = 2,969 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 23,5 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 = (6 − 1)·4,7 = 23,5 kΩ

Відповідь

Rf = 23,5 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,3745 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.

Вхідні струми

V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.

I1 = V1/R1 = −0,8/10 = −0,08 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/4,7 = 0,04255 mA
If = I1 + I2 = −0,03745 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −10·(−0,03745) = 0,3745 V

Відповідь

Vout = 0,3745 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W = 79,92 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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A

Струм у заданий момент

i(t) = 2·(1 − e−10/10) = 1,264 A

Накопичена енергія

W = ½·L·i² = ½·100·1,264² = 79,92 mJ

Відповідь

W = 79,92 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 6,806 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 6 + (8 − 6)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(20) = 6 + (2)·e−20/22 = 6,806 V

Відповідь

vC = 6,806 V

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