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​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​8 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​30 ΩBR6​25 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

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

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 40 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 ΩVA = 40 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​8 Ω+−VR3​A+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
VR3 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​30 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 25 ΩR5 = 30 Ω
IR3 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩIR2​AR4​20 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩIR3​AIs​5 AB+−V2​24 V

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

V1 = 10 VIs = 5 AV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​6 ABRL​25 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 25 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩRL = 25 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 1 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 5 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 2 kΩ

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

Vin = 5 VRa = 4,7 kΩRb = 2 kΩR1 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,8 VR1​ = 2 kΩV2​ = −1,2 VR2​ = 10 kΩ

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

V1 = −1,8 VV2 = −1,2 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 ΩL10 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 50% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 10 VR = 10 ΩL = 10 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 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 = 15 ms.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 24 Vt = 15 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 9,222 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​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​8 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 8·28/(8+28) = 6,222 Ω
Req = R1 + 6,222 = 3 + 6,222 = 9,222 Ω

Відповідь

Req = 9,222 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,9056 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​ = 10 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​30 ΩBR6​25 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 = 12 + 25 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 16,57 Ω
R3 + 16,57 = 36,57 Ω
R2 ∥ 36,57 = 6,564 Ω
Req = R1 + 6,564 = 10 + 6,564 = 16,56 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/16,56 = 0,9056 A

Відповідь

IR1 = 0,9056 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 43,11 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/20 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/4 = 0
0,8·VA − 0,25·VB = 7,5

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/5 + (VB − VA)/4 = 3
−0,25·VA + 0,45·VB = 3

Розв’яжіть

Δ = (0,8)(0,45) − (−0,25)(−0,25) = 0,2975
VA = Δ1/Δ = 4,125/0,2975 = 13,87 V
VB = Δ2/Δ = 4,275/0,2975 = 14,37 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 = 14,37·3 = 43,11 W

Відповідь

PIs = 43,11 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 9,867 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

VA відоме, тож це рівняння дає VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(40 − 36)/4 + 40/8 = (VB − 40)/3
6 = (VB − 40)/3 → VB = 58 V

ЗСК для вузла B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (58 − 40)/3 + 58/15 = 9,867 A

Відповідь

Is = 9,867 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR3 = 10,24 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​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​12 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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 15
12·I1 − 8·I2 = 15

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
20·I2 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 28·I2 = −12

Розв’яжіть

Δ = (12)(28) − (−8)(−8) = 272
I1 = Δ1/Δ = 324/272 = 1,191 A
I2 = Δ2/Δ = −24/272 = −0,08824 A

Відповідь

IR3 = I1 − I2 = 1,279 A
VR3 = IR3·R3 = 1,279·8 = 10,24 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = −0,07692 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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​30 ΩB+−V2​6 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 + 25(I1 − I2) = 18
55·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
20·I2 + 25(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 75·I2 − 30·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
12·I3 + 30(I3 − I2) = (−6)
−30·I2 + 42·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 97500
I1 = Δ1/Δ = 36000/97500 = 0,3692 A
I2 = Δ2/Δ = 9000/97500 = 0,09231 A
I3 = Δ3/Δ = −7500/97500 = −0,07692 A

Відповідь

IR3 = I3 = −0,07692 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR2 = 3 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​20 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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·28/(3+28) = 2,71 Ω
VA = 6·2,71/(12+2,71) = 1,105 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,105·20/28 = 0,7895 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (1,105 − 0)/3 = 0,3684 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​3 ΩAR4​20 ΩBIs​5 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 10,4 = 6,842 Ω
VB = Is·Req = 5·6,842 = 34,21 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 34,21·2,4/10,4 = 7,895 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (7,895 − 0)/3 = 2,632 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,3684 + 2,632 = 3 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: IR3 = 2,565 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​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​10 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 ∥ 8 = 3,077 Ω
VA = 10·3,077/(4+3,077) = 4,348 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,348·3/8 = 1,63 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,348 − 0)/5 = 0,8696 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​5 ΩAIs​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 = 2,222 Ω, тож лівий шлях — R2+2,222 = 7,222 Ω
Req = R4 ∥ 7,222 = 2,12 Ω
VB = Is·Req = 5·2,12 = 10,6 V
VA = VB·2,222/7,222 = 3,261 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,261 − 0)/5 = 0,6522 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​5 ΩAОБРИВB+−V2​24 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·7,222/10,22 = 16,96 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,96·2,222/7,222 = 5,217 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (5,217 − 0)/5 = 1,043 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,8696 + 0,6522 + 1,043 = 2,565 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,125 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​ = 20 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 + 20 = 21,82 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 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) = 30·2/(20+2) = 2,727 V
IN​0,125 ARth​21,82 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 = 2,727/21,82 = 0,125 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 45,45 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 2 = 4,667 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​8 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) = 12 + 6·2,667 = 28 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28 + 6·2 = 40 V
Rth​ = 4,667 Ω+−Vth​40 VRL​25 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) = 40/(4,667 + 25) = 1,348 A
PL = IL²·RL = 1,348²·25 = 45,45 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 2,985 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) = 5·2/(4,7 + 2) = 1,493 V

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1,493·(1 + 1/1) = 2,985 V

Відповідь

Vout = 2,985 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 4,794 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 = −1,8/2 = −0,9 mA
I2 = V2/R2 = −1,2/10 = −0,12 mA
If = I1 + I2 = −1,02 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −4,7·(−1,02) = 4,794 V

Відповідь

Vout = 4,794 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 0,6931 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.

Стала часу і кінцевий струм

Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.

τ = L/R = 10 mH / 10 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 A

Виразіть час

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1·ln(0,5) = 0,6931 ms

Відповідь

t = 0,6931 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 20,17 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 = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 10 + (24 − 10)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(15) = 10 + (14)·e−15/47 = 20,17 V

Відповідь

vC = 20,17 V

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