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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​3 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​30 ΩBR6​4 Ω

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

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 ΩR5 = 6 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 12 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​5 ΩBIs​4 A−+V2​15 V

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

V1 = 24 VIs = 4 AV2 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 ΩR5 = 5 Ω
IR1 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​5 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩR5 = 5 Ω
I1 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBIs​?

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

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​6 ΩAIs​2 AB+−V2​9 V

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

V1 = 6 VIs = 2 AV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −0,1 V

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

Vin = −0,1 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −0,7 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0,5 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = −0,7 VV2 = 0,5 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​15 Vt = 0R = 50 ΩL150 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 95% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 15 VR = 50 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​5 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 120 ms.

Vs = 5 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 Vt = 120 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 11,75 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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​5 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Req = R1 + 3,75 = 8 + 3,75 = 11,75 Ω

Відповідь

Req = 11,75 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,9429 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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​30 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 22,5 Ω
R2 ∥ 22,5 = 4,091 Ω
Req = R1 + 4,091 = 15 + 4,091 = 19,09 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 18/19,09 = 0,9429 A

Відповідь

IR1 = 0,9429 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 7,714 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 6 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 − 6)/3 + (VA − VB)/10 = 0
0,6333·VA − 0,1·VB = 2

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/10 + (VB − VA)/10 = 5
−0,1·VA + 0,2·VB = 5

Розв’яжіть

Δ = (0,6333)(0,2) − (−0,1)(−0,1) = 0,1167
VA = Δ1/Δ = 0,9/0,1167 = 7,714 V
VB = Δ2/Δ = 3,367/0,1167 = 28,86 V

Відповідь

VA = 7,714 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 0,7918 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​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​5 ΩBIs​4 A−+V2​15 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 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/30 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/12 = 0
0,2·VA − 0,08333·VB = 2

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)/12 + (VB − (−15))/12 = 4
−0,08333·VA + 0,3667·VB = 2,75

Розв’яжіть

Δ = (0,2)(0,3667) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,06639
VA = Δ1/Δ = 0,9625/0,06639 = 14,5 V
VB = Δ2/Δ = 0,7167/0,06639 = 10,79 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 14,5)/12 = 0,7918 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,4487 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​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩA+−V2​9 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 + 2(I1 − I2) = 24
17·I1 − 2·I2 = 24

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 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 14·I2 = −9

Розв’яжіть

Δ = (17)(14) − (−2)(−2) = 234
I1 = Δ1/Δ = 318/234 = 1,359 A
I2 = Δ2/Δ = −105/234 = −0,4487 A

Відповідь

I2 = −0,4487 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 1,358 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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​5 ΩB+−V2​10 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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 12
12·I1 − 8·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 8(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 15·I2 − 5·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
8·I3 + 5(I3 − I2) = (−10)
−5·I2 + 13·I3 = −10

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1208
I1 = Δ1/Δ = 1640/1208 = 1,358 A
I2 = Δ2/Δ = 648/1208 = 0,5364 A
I3 = Δ3/Δ = −680/1208 = −0,5629 A

Відповідь

I1 = 1,358 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 0,72 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​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​4 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 = 10+10 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
VA = 18·3,333/(6+3,333) = 6,429 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,429·10/20 = 3,214 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (6,429 − 3,214)/10 = 0,3214 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 = 2,4 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/22,4 = −0,4464·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 0,3214 − 0,4464·Is = 0
Is = 0,3214/0,4464 = 0,72 A

Відповідь

Is = 0,72 A
8.Метод накладання

Відповідь: IR2 = 1,054 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 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​6 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) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VA = 6·4,2/(20+4,2) = 1,041 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,041·6/14 = 0,4463 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (0,4463 − 1,041)/8 = −0,07438 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 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.

R1 ∥ R3 = 4,615 Ω, тож лівий шлях — R2+4,615 = 12,62 Ω
Req = R4 ∥ 12,62 = 4,066 Ω
VB = Is·Req = 2·4,066 = 8,132 V
VA = VB·4,615/12,62 = 2,975 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (8,132 − 2,975)/8 = 0,6446 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​6 ΩAОБРИВB+−V2​9 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·12,62/18,62 = 6,099 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,099·4,615/12,62 = 2,231 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (6,099 − 2,231)/8 = 0,4835 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0,07438) + 0,6446 + 0,4835 = 1,054 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 5,625 V

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​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 20 = 23,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 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) = 9·10/(6+10) = 5,625 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = −3,365 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​ = 3 ΩR3​ = 15 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 15 = 17,18 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​8 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) = 10,91 + (−4)·2,182 = 2,182 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,182 + (−4)·15 = −57,82 V
IN​3,365 ARth​17,18 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 = −57,82/17,18 = −3,365 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,2 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.

Інвертувальний вхід повторює вхід

V₋ = V₊ = −0,1 V
I = V₋/R1 = −0,1/10 = −0,01 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,1 + (−0,01)·10 = −0,2 V

Відповідь

Vout = −0,2 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 1,306 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 = −0,7/10 = −0,07 mA
I2 = V2/R2 = 0,5/47 = 0,01064 mA
If = I1 + I2 = −0,05936 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −22·(−0,05936) = 1,306 V

Відповідь

Vout = 1,306 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 8,987 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 = 150 mH / 50 Ω = 3 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0,3 A

Виразіть час

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −3·ln(0,05) = 8,987 ms

Відповідь

t = 8,987 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 9,7 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 5 + (20 − 5)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(120) = 5 + (15)·e−120/103,4 = 9,7 V

Відповідь

vC = 9,7 V

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