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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​10 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​10 Ω

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

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 ΩR6 = 10 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBIs​1 A

Методом вузлових потенціалів знайдіть потужність PIs, яку віддає джерело струму Is.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​5 A−+V2​15 V

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

V1 = 18 VIs = 5 AV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 Ω
IR2 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 15 ΩR2​ = 2 Ω+−VR2​+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
VR2 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 25 ΩIR3​+−V1​6 VR4​15 ΩAR5​10 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 Ω
IR3 = 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 = 2 V і Is = 1 mA I = 1,2 mA; при Vs = 2 V і Is = 8 mA I = 2,6 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 2 V і Is = 10 mA.

2 V, 1 mA → 1,2 mA2 V, 8 mA → 2,6 mAVs = 2 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​10 V

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAIs​4 ABRL​3 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 3 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 51.

R1 = 10 kΩAv = 51
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −0,6 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,1 VR2​ = 1 kΩIf​

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

V1 = −0,6 VV2 = 1,1 VR1 = 22 kΩR2 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 15 ms, у mJ.

Vs = 9 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 15 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​5 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 30 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 17,5 V? Знайдіть t.

Vs = 5 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 14 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​10 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 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 10 + 4 = 14 Ω

Відповідь

Req = 14 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,4142 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​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​6 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 4,839 Ω
R3 + 4,839 = 12,84 Ω
R2 ∥ 12,84 = 1,73 Ω
Req = R1 + 1,73 = 20 + 1,73 = 21,73 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/21,73 = 0,4142 A

Відповідь

IR1 = 0,4142 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 6,805 W

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 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/8 + (VA − 15)/5 + (VA − VB)/15 = 0
0,3917·VA − 0,06667·VB = 3

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/6 + (VB − VA)/15 = 1
−0,06667·VA + 0,2333·VB = 1

Розв’яжіть

Δ = (0,3917)(0,2333) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,08694
VA = Δ1/Δ = 0,7667/0,08694 = 8,818 V
VB = Δ2/Δ = 0,5917/0,08694 = 6,805 V

Потужність, яку віддає джерело струму

Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.

PIs = VB·Is = 6,805·1 = 6,805 W

Відповідь

PIs = 6,805 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR2 = 0,2805 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​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​5 A−+V2​15 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 18 V, V2 = −15 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/6 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/25 = 0
0,4067·VA − 0,04·VB = 3,6

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/2 + (VB − VA)/25 + (VB − (−15))/4 = 5
−0,04·VA + 0,79·VB = 1,25

Розв’яжіть

Δ = (0,4067)(0,79) − (−0,04)(−0,04) = 0,3197
VA = Δ1/Δ = 2,894/0,3197 = 9,053 V
VB = Δ2/Δ = 0,6523/0,3197 = 2,041 V

Відповідь

IR2 = (VA − VB)/R2 = (9,053 − 2,041)/25 = 0,2805 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR2 = −4,696 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​ = 2 Ω+−V1​6 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
15·I1 + 5(I1 − I2) = 6
20·I1 − 5·I2 = 6

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
2·I2 + 5(I2 − I1) = (−15)
−5·I1 + 7·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (20)(7) − (−5)(−5) = 115
I1 = Δ1/Δ = −33/115 = −0,287 A
I2 = Δ2/Δ = −270/115 = −2,348 A

Відповідь

IR2 = I2 = −2,348 A
VR2 = IR2·R2 = −2,348·2 = −4,696 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = −0,5333 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​ = 30 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR4​15 ΩAR5​10 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
30·I1 + 15(I1 − I2) = 6
45·I1 − 15·I2 = 6

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
30·I2 + 15(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 55·I2 − 10·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
25·I3 + 10(I3 − I2) = (−18)
−10·I2 + 35·I3 = −18

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 74250
I1 = Δ1/Δ = 8250/74250 = 0,1111 A
I2 = Δ2/Δ = −4950/74250 = −0,06667 A
I3 = Δ3/Δ = −39600/74250 = −0,5333 A

Відповідь

IR3 = I3 = −0,5333 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 3 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
2·k₁ + 1·k₂ = 1,2
2·k₁ + 8·k₂ = 2,6

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (2)(8) − (1)(2) = 14
k₁ = Δ1/Δ = 7/14 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = 2,8/14 = 0,2
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = 0,2

Обчисліть новий струм

I = 0,5·2 + 0,2·10 = 3 mA

Відповідь

I = 3 mA
8.Метод накладання

Відповідь: IR3 = 0,5057 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​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 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) = 5 ∥ 21 = 4,038 Ω
VA = 6·4,038/(6+4,038) = 2,414 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,414·6/21 = 0,6897 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (2,414 − 0)/5 = 0,4828 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​5 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.

R1 ∥ R3 = 2,727 Ω, тож лівий шлях — R2+2,727 = 17,73 Ω
Req = R4 ∥ 17,73 = 4,483 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·4,483 = −6,724 V
VA = VB·2,727/17,73 = −1,034 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−1,034 − 0)/5 = −0,2069 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​5 ΩAОБРИВB+−V2​10 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 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·17,73/23,73 = 7,471 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7,471·2,727/17,73 = 1,149 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,149 − 0)/5 = 0,2299 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,4828 + (−0,2069) + 0,2299 = 0,5057 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 10 Ω

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​ = 6 ΩКЗR2​20 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 6 = 10 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 27,51 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​ = 25 ΩКЗR2​30 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 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 25 = 32,5 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAIs​4 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) = 22,5 + (−4)·7,5 = −7,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −7,5 + (−4)·25 = −107,5 V
Rth​ = 32,5 Ω−+Vth​107,5 VRL​3 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) = −107,5/(32,5 + 3) = −3,028 A
PL = IL²·RL = −3,028²·3 = 27,51 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 500 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 = (51 − 1)·10 = 500 kΩ

Відповідь

Rf = 500 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = 1,073 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 = −0,6/22 = −0,02727 mA
I2 = V2/R2 = 1,1/1 = 1,1 mA
If = I1 + I2 = 1,073 mA

Відповідь

If = 1,073 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W = 21,81 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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 9/10 = 0,9 A

Струм у заданий момент

i(t) = 0,9·(1 − e−15/6,8) = 0,8009 A

Накопичена енергія

W = ½·L·i² = ½·68·0,8009² = 21,81 mJ

Відповідь

W = 21,81 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 69,31 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 5 + (30 − 5)·e−t/τ

Виразіть час

17,5 = 5 + (25)·e−t/τ → e−t/τ = (17,5 − 5)/(30 − 5) = 0,5
t = τ·ln((30 − 5)/(17,5 − 5)) = 100·ln(2) = 69,31 ms

Відповідь

t = 69,31 ms

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