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​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAR4​20 ΩBR6​15 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​5 A

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A−+V2​15 V

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 15 VIs = 0,5 AV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I2 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 Ω
I2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​3 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 ΩR5 = 3 Ω
IR3 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​?

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

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
лінійне колоV1​V2​Is​IRL​

Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 16 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 16,5 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 6 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.

звичайні значення: I = 16 mA2·V1: I = 16,5 mA−Is: I = 6 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​1,5 ABRL​15 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 15 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​

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

R1 = 22 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −0,3 VR1​ = 100 kΩV2​ = 1,6 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 = −0,3 VV2 = 1,6 VR1 = 100 kΩR2 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​12 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC220 µF+−vC​

Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 75 ms.

Vs = 12 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 220 µFt = 75 ms
vC = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 18 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 19,6 V? Знайдіть t.

Vs = 20 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 18 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,15 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 Ω+−V1​12 VR2​20 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 20 + 6,667 = 26,67 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 12/26,67 = 0,45 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,45·20 = 3 V
IR2 = VA/R2 = 3/20 = 0,15 A

Відповідь

IR2 = 0,15 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 21,34 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​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAR4​20 ΩBR6​15 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 = 6 + 15 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 10,24 Ω
R3 + 10,24 = 18,24 Ω
R2 ∥ 18,24 = 11,34 Ω
Req = R1 + 11,34 = 10 + 11,34 = 21,34 Ω

Відповідь

Req = 21,34 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR3 = −2,548 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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​15 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)/8 + (VA − VB)/10 = 0
0,425·VA − 0,1·VB = 1,125

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/15 + (VB − VA)/10 = 5
−0,1·VA + 0,1667·VB = 5

Розв’яжіть

Δ = (0,425)(0,1667) − (−0,1)(−0,1) = 0,06083
VA = Δ1/Δ = 0,6875/0,06083 = 11,3 V
VB = Δ2/Δ = 2,237/0,06083 = 36,78 V

Відповідь

IR3 = (VA − VB)/R3 = (11,3 − 36,78)/10 = −2,548 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 0,9806 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​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A−+V2​15 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 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/10 + (VA − 15)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0,325·VA − 0,125·VB = 1,5

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/5 + (VB − VA)/8 + (VB − (−15))/25 = 0,5
−0,125·VA + 0,365·VB = −0,1

Розв’яжіть

Δ = (0,325)(0,365) − (−0,125)(−0,125) = 0,103
VA = Δ1/Δ = 0,535/0,103 = 5,194 V
VB = Δ2/Δ = 0,155/0,103 = 1,505 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 5,194)/10 = 0,9806 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,8444 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​ = 15 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA+−V2​10 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 + 10(I1 − I2) = 6
25·I1 − 10·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
3·I2 + 10(I2 − I1) = (−10)
−10·I1 + 13·I2 = −10

Розв’яжіть

Δ = (25)(13) − (−10)(−10) = 225
I1 = Δ1/Δ = −22/225 = −0,09778 A
I2 = Δ2/Δ = −190/225 = −0,8444 A

Відповідь

I2 = −0,8444 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = −0,6098 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​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​3 ΩB+−V2​12 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
3·I1 + 4(I1 − I2) = 9
7·I1 − 4·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
5·I2 + 4(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 12·I2 − 3·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
15·I3 + 3(I3 − I2) = (−12)
−3·I2 + 18·I3 = −12

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1161
I1 = Δ1/Δ = 1719/1161 = 1,481 A
I2 = Δ2/Δ = 396/1161 = 0,3411 A
I3 = Δ3/Δ = −708/1161 = −0,6098 A

Відповідь

IR3 = I3 = −0,6098 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 0,5217 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​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​15 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 = 12+15 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·27/(20+27) = 11,49 Ω
VA = 9·11,49/(3+11,49) = 7,137 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,137·15/27 = 3,965 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (7,137 − 3,965)/12 = 0,2643 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 = 2,609 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·15/29,61 = −0,5066·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 0,2643 − 0,5066·Is = 0
Is = 0,2643/0,5066 = 0,5217 A

Відповідь

Is = 0,5217 A
8.Метод накладання

Відповідь: I = 5,5 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 вимірювання через внески

Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.

I₁ + I₂ + I₃ = 16
2·I₁ + I₂ + I₃ = 16,5
I₁ + I₂ − I₃ = 6

Знайдіть внески

I₁ = 16,5 − 16 = 0,5 mA
I₃ = (16 − 6)/2 = 5 mA
I₂ = 16 − 0,5 − 5 = 10,5 mA

Вимкніть V₂

I = I₁ + I₃ = 0,5 + 5 = 5,5 mA

Відповідь

I = 5,5 mA
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,1778 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​ = 20 ΩКЗR2​3 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 20 = 22,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 24·3/(15+3) = 4 V
IN​0,1778 ARth​22,5 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 = 4/22,5 = 0,1778 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = −0,4868 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​ = 25 ΩR3​ = 6 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 6 = 10,17 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​1,5 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) = 3 + (−1,5)·4,167 = −3,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −3,25 + (−1,5)·6 = −12,25 V
Rth​ = 10,17 Ω−+Vth​12,25 VRL​15 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) = −12,25/(10,17 + 15) = −0,4868 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 2,164 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/22 = 5,545

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/5,545 = 2,164 V

Відповідь

Vin,max = 2,164 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = 1,597 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 = −0,3/100 = −0,003 mA
I2 = V2/R2 = 1,6/1 = 1,6 mA
If = I1 + I2 = 1,597 mA

Відповідь

If = 1,597 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 3,411 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.

Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора

Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·10/(1 + 10) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 12·10/(1 + 10) = 10,91 V

Стала часу

τ = Rth·C = 0,9091·220 = 200 ms

Крива заряджання

vC(t) = 10,91·(1 − e−75/200) = 3,411 V

Відповідь

vC = 3,411 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 1609 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 20 + (18 − 20)·e−t/τ

Виразіть час

19,6 = 20 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (19,6 − 20)/(18 − 20) = 0,2
t = τ·ln((18 − 20)/(19,6 − 20)) = 1000·ln(5) = 1609 ms

Відповідь

t = 1609 ms

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