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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​3 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​4 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 12 VIx​Is​2,5 AAR1​12 ΩR2​6 ΩB

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.

Is = 2,5 AVs = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 6 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB0,05·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 Ωg = 0,05 A/V
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​30 VR3​6 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I1 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 30 VV2 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
I1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR4​6 Ω+−VR4​AR5​20 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR4 на R4 з указаною полярністю.

V1 = 36 VV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 20 Ω
VR4 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​5 VR3​4 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​?

Знайдіть значення джерела напруги V2 (полярність як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.

V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

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

R1 = 2 kΩAv = 51
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = 1,7 VR1​ = 10 kΩV2​ = −1,3 VR2​ = 47 kΩIf​

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

V1 = 1,7 VV2 = −1,3 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩRf = 22 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 25 ms.

Vs = 5 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 25 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​24 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 18 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 250 ms.

Vs = 24 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 18 Vt = 250 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 8,5 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​3 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 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Req = R1 + 2,5 = 6 + 2,5 = 8,5 Ω

Відповідь

Req = 8,5 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,7392 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​20 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 = 10,91 Ω
R3 + 10,91 = 14,91 Ω
R2 ∥ 14,91 = 5,206 Ω
Req = R1 + 5,206 = 8 + 5,206 = 13,21 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/13,21 = 1,136 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,136·8 = 5,913 V
IR2 = VA/R2 = 5,913/8 = 0,7392 A

Відповідь

IR2 = 0,7392 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Ix = 2,333 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.

Утворіть надвузол

Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.

VB = VA + Vs = VA + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/12 + (VA + 12)/6 = 2,5
VA = (2,5 − 12/6)/(1/12 + 1/6) = 2 V
VB = 2 + 12 = 14 V

Струм через джерело напруги

Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.

Ix = VB/R2 = 14/6 = 2,333 A

Відповідь

Ix = 2,333 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 3,568 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
0,19·VA − 0,04·VB = 0,6

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 = 0,05·VA
−0,09·VA + 0,165·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,19)(0,165) − (−0,04)(−0,09) = 0,02775
VA = Δ1/Δ = 0,099/0,02775 = 3,568 V
VB = Δ2/Δ = 0,054/0,02775 = 1,946 V

Відповідь

VA = 3,568 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 2,5 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​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​30 VR3​6 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
4·I1 + 6(I1 − I2) = 30
10·I1 − 6·I2 = 30

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 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 18·I2 = −30

Розв’яжіть

Δ = (10)(18) − (−6)(−6) = 144
I1 = Δ1/Δ = 360/144 = 2,5 A
I2 = Δ2/Δ = −120/144 = −0,8333 A

Відповідь

I1 = 2,5 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR4 = 6,166 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​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​36 VR4​6 ΩAR5​20 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
25·I1 + 6(I1 − I2) = 36
31·I1 − 6·I2 = 36

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
10·I2 + 6(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 36·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−6)
−20·I2 + 45·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 36200
I1 = Δ1/Δ = 43200/36200 = 1,193 A
I2 = Δ2/Δ = 6000/36200 = 0,1657 A
I3 = Δ3/Δ = −2160/36200 = −0,05967 A

Відповідь

IR4 = I1 − I2 = 1,028 A
VR4 = IR4·R4 = 1,028·6 = 6,166 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR1 = 0,4735 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​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​10 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 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·26/(10+26) = 7,222 Ω
VA = 24·7,222/(20+7,222) = 6,367 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,367·20/26 = 4,898 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 6,367)/20 = 0,8816 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​2 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 12,67 = 7,755 Ω
VB = Is·Req = 2·7,755 = 15,51 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,51·6,667/12,67 = 8,163 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 8,163)/20 = −0,4082 A

Додайте складові

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,8816 + (−0,4082) = 0,4735 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 13,38 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​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​5 VR3​4 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) = 4 ∥ 17 = 3,238 Ω
VA = 5·3,238/(8+3,238) = 1,441 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,441·12/17 = 1,017 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​4 ΩAIs​2 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R3 = 2,667 Ω, тож лівий шлях — R2+2,667 = 7,667 Ω
Req = R4 ∥ 7,667 = 4,678 Ω
VB = −Is·Req = −2·4,678 = −9,356 V
VA = VB·2,667/7,667 = −3,254 V

Випадок 3 · діє лише V2, на один вольт

V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.

R1 ∥ R3 = 2,667 Ω
VA‴ = V2·2,667/(12 + 5 + 2,667) = 0,1356·V2

Прирівняйте VA до нуля

При VA = 0 напруга на R₃ відсутня, тож струм через нього дорівнює нулю.

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,441 + (−3,254) + 0,1356·V2 = 0
V2 = 1,814/0,1356 = 13,38 V

Відповідь

V2 = 13,38 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,7742 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​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​5 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 15 = 17,22 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​5 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) = 24·5/(4+5) = 13,33 V
IN​0,7742 ARth​17,22 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 = 13,33/17,22 = 0,7742 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 6,105 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​ = 30 ΩR3​ = 5 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 5 = 13,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​12 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) = 1,429 + 6·8,571 = 52,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 52,86 + 6·5 = 82,86 V
IN​6,105 ARth​13,57 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 = 82,86/13,57 = 6,105 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 100 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)·2 = 100 kΩ

Відповідь

Rf = 100 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = 0,1423 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 = 1,7/10 = 0,17 mA
I2 = V2/R2 = −1,3/47 = −0,02766 mA
If = I1 + I2 = 0,1423 mA

Відповідь

If = 0,1423 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 0,4104 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.

Стала часу і кінцевий струм

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

τ = L/R = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A

Напруга на котушці

У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−25/10 = 0,4104 V

Відповідь

vL = 0,4104 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 23,51 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 24 + (18 − 24)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(250) = 24 + (−6)·e−250/100 = 23,51 V

Відповідь

vC = 23,51 V

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