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​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​12 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 ΩR5 = 8 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩAR4​25 ΩB0,2·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,2·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VB (відносно землі).

V1 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 Ωg = 0,2 A/V
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩIR2​+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩIR2​R3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​12 ΩAR5​25 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​?

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

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 Ω+−VR2​R4​ = 30 Ω+−V1​36 VR3​3 ΩAIs​1,5 AB−+V2​30 V

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

V1 = 36 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 30 Ω
VR2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABRL​4 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 4.

R1 = 47 kΩAv = 4
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Vin​V1​Vout​каскад 1: інвертувальнийR1​ = 22 kΩRf1​ = 100 kΩкаскад 2: неінвертувальнийR2​ = 10 kΩRf2​ = 4,7 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 = −0,65 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

R1 = 22 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 4,7 kΩVin = −0,65 V
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 ΩL47 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vрозмикається при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 3,3 kΩC220 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 750 ms.

Vs = 6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 750 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,5434 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​20 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 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 5·32/(5+32) = 4,324 Ω
Req = R1 + 4,324 = 10 + 4,324 = 14,32 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/14,32 = 0,6283 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,6283·10 = 2,717 V
IR2 = VA/R2 = 2,717/5 = 0,5434 A

Відповідь

IR2 = 0,5434 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 21,81 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​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​12 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 = 8 + 12 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 4 Ω
R3 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 1,81 Ω
Req = R1 + 1,81 = 20 + 1,81 = 21,81 Ω

Відповідь

Req = 21,81 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 24,29 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​2,5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 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/6 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/12 = 0
0,4167·VA − 0,08333·VB = 1,667

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/20 + (VB − VA)/12 = 2,5
−0,08333·VA + 0,1333·VB = 2,5

Розв’яжіть

Δ = (0,4167)(0,1333) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,04861
VA = Δ1/Δ = 0,4306/0,04861 = 8,857 V
VB = Δ2/Δ = 1,181/0,04861 = 24,29 V

Відповідь

VB = 24,29 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 23,77 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
0,2667·VA − 0,03333·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 = 0,2·VA
−0,2333·VA + 0,07333·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,2667)(0,07333) − (−0,03333)(−0,2333) = 0,01178
VA = Δ1/Δ = 0,088/0,01178 = 7,472 V
VB = Δ2/Δ = 0,28/0,01178 = 23,77 V

Відповідь

VB = 23,77 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −4,154 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​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​30 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 + 2(I1 − I2) = 12
8·I1 − 2·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
5·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 7·I2 = −30

Розв’яжіть

Δ = (8)(7) − (−2)(−2) = 52
I1 = Δ1/Δ = 24/52 = 0,4615 A
I2 = Δ2/Δ = −216/52 = −4,154 A

Відповідь

IR2 = I2 = −4,154 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = 0,1711 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​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​12 ΩAR5​25 ΩB+−V2​15 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 + 12(I1 − I2) = 18
15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 12(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 49·I2 − 25·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
10·I3 + 25(I3 − I2) = (−15)
−25·I2 + 35·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 11310
I1 = Δ1/Δ = 15120/11310 = 1,337 A
I2 = Δ2/Δ = 1935/11310 = 0,1711 A
I3 = Δ3/Δ = −3465/11310 = −0,3064 A

Відповідь

IR2 = I2 = 0,1711 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 1,5 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 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​10 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 = 2+10 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·12/(6+12) = 4 Ω
VA = 30·4/(6+4) = 12 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12·10/12 = 10 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (12 − 10)/2 = 1 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 = 3 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/15 = −0,6667·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 1 − 0,6667·Is = 0
Is = 1/0,6667 = 1,5 A

Відповідь

Is = 1,5 A
8.Метод накладання

Відповідь: VR2 = −0,7373 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​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​36 VR3​3 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) = 3 ∥ 34 = 2,757 Ω
VA = 36·2,757/(10+2,757) = 7,78 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,78·30/34 = 6,864 V
VR2′ = VA − VB = 7,78 − 6,864 = 0,9153 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​3 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 = 2,308 Ω, тож лівий шлях — R2+2,308 = 6,308 Ω
Req = R4 ∥ 6,308 = 5,212 Ω
VB = Is·Req = 1,5·5,212 = 7,818 V
VA = VB·2,308/6,308 = 2,86 V
VR2″ = VA − VB = 2,86 − 7,818 = −4,958 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​3 ΩAОБРИВB−+V2​30 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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·6,308/36,31 = −5,212 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,212·2,308/6,308 = −1,907 V
VR2‴ = VA − VB = −1,907 − −5,212 = 3,305 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,9153 + (−4,958) + 3,305 = −0,7373 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 7,714 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​ = 8 ΩR3​ = 2 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 2 = 7,714 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 5,382 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​ = 12 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 15 = 21 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​12 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) = 2,5 + (−1,5)·6 = −6,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −6,5 + (−1,5)·15 = −29 V
Rth​ = 21 Ω−+Vth​29 VRL​4 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) = −29/(21 + 4) = −1,16 A
PL = IL²·RL = −1,16²·4 = 5,382 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 141 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 = (4 − 1)·47 = 141 kΩ

Відповідь

Rf = 141 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 4,343 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 = −100/22 = −4,545
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/10 = 1,47

Каскад за каскадом

V1 = −4,545·(−0,65) = 2,955 V
Vout = 1,47·2,955 = 4,343 V

Відповідь

Vout = 4,343 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 21,64 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 = 47 mH / 10 Ω = 4,7 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A

Виразіть час

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −4,7·ln(0,01) = 21,64 ms

Відповідь

t = 21,64 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 0,8809 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.

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

vC(0) = 6·3,3/(4,7 + 3,3) = 2,475 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 3,3·220 = 726 ms

Розряджання

vC(t) = 2,475·e−750/726 = 0,8809 V

Відповідь

vC = 0,8809 V

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