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​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​6 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 25 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​30 ΩBR6​25 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​3 A

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

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​6 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​1,5 A+−V2​9 V

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩR5 = 8 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 Ω+−VR2​R3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​25 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩR5 = 25 Ω
VR2 = V
7.Метод накладанняСередня
лінійне колоVs​Is​IRL​

Лінійне резистивне коло містить одне джерело напруги Vs і одне джерело струму Is. Струм I через резистор навантаження виміряли двічі: при Vs = 10 V і Is = 2 mA I = 8,8 mA; при Vs = 5 V і Is = 3 mA I = 3,2 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 8 V і Is = 5 mA.

10 V, 2 mA → 8,8 mA5 V, 3 mA → 3,2 mAVs = 8 V, Is = 5 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​24 V

За методом накладання знайдіть потужність PR3, яку споживає R3.

V1 = 30 VIs = 1,5 AV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
PR3 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 21.

R1 = 22 kΩAv = 21
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = −1,8 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,9 VR3​ = 22 kΩR4​ = 10 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = −1,8 VV2 = 0,9 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 22 kΩR4 = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 20 ΩL100 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 = 5 VR = 20 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​10 Vрозмикається при t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 6,8 kΩC33 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 = 400 ms.

Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 6,8 kΩC = 33 µFt = 400 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 4,571 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​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​6 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 + 6 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 3·18/(3+18) = 2,571 Ω
Req = R1 + 2,571 = 2 + 2,571 = 4,571 Ω

Відповідь

Req = 4,571 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 34,39 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​ = 25 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​20 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 15,71 Ω
R3 + 15,71 = 17,71 Ω
R2 ∥ 17,71 = 9,394 Ω
Req = R1 + 9,394 = 25 + 9,394 = 34,39 Ω

Відповідь

Req = 34,39 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = −2,769 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​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​3 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/12 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,3333·VA − 0,125·VB = 0,75

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/8 + (VB − VA)/8 = (−3)
−0,125·VA + 0,25·VB = −3

Розв’яжіть

Δ = (0,3333)(0,25) − (−0,125)(−0,125) = 0,06771
VA = Δ1/Δ = −0,1875/0,06771 = −2,769 V
VB = Δ2/Δ = −0,9063/0,06771 = −13,38 V

Відповідь

VA = −2,769 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 5,766 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 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​6 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​1,5 A+−V2​9 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 6 V, V2 = 9 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/25 + (VA − 6)/3 + (VA − VB)/30 = 0
0,4067·VA − 0,03333·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/8 + (VB − VA)/30 + (VB − 9)/25 = 1,5
−0,03333·VA + 0,1983·VB = 1,86

Розв’яжіть

Δ = (0,4067)(0,1983) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,07954
VA = Δ1/Δ = 0,4587/0,07954 = 5,766 V
VB = Δ2/Δ = 0,8231/0,07954 = 10,35 V

Відповідь

VA = 5,766 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,6667 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​ = 8 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​15 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 18
16·I1 − 8·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 13·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (16)(13) − (−8)(−8) = 144
I1 = Δ1/Δ = 114/144 = 0,7917 A
I2 = Δ2/Δ = −96/144 = −0,6667 A

Відповідь

I2 = −0,6667 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR2 = −1,057 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​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​25 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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 9
10·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) + 25(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 34·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
2·I3 + 25(I3 − I2) = (−6)
−25·I2 + 27·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2498
I1 = Δ1/Δ = 2037/2498 = 0,8155 A
I2 = Δ2/Δ = −528/2498 = −0,2114 A
I3 = Δ3/Δ = −1044/2498 = −0,4179 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,2114 A
VR2 = IR2·R2 = −0,2114·5 = −1,057 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 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 відгук як суму внесків

Кожен внесок пропорційний своєму джерелу з коефіцієнтом, що залежить лише від резисторів.

I = k₁·Vs + k₂·Is
10·k₁ + 2·k₂ = 8,8
5·k₁ + 3·k₂ = 3,2

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (10)(3) − (2)(5) = 20
k₁ = Δ1/Δ = 20/20 = 1
k₂ = Δ2/Δ = −12/20 = −0,6
k₁ = 1 mA/V, k₂ = −0,6

Обчисліть новий струм

I = 1·8 + (−0,6)·5 = 5 mA

Відповідь

I = 5 mA
8.Метод накладання

Відповідь: PR3 = 55,23 W

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​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​8 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) = 8 ∥ 9 = 4,235 Ω
VA = 30·4,235/(5+4,235) = 13,76 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,76·3/9 = 4,586 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (13,76 − 0)/8 = 1,72 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​8 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 = 3,077 Ω, тож лівий шлях — R2+3,077 = 9,077 Ω
Req = R4 ∥ 9,077 = 2,255 Ω
VB = Is·Req = 1,5·2,255 = 3,382 V
VA = VB·3,077/9,077 = 1,146 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,146 − 0)/8 = 0,1433 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​8 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·9,077/12,08 = 18,04 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 18,04·3,077/9,077 = 6,115 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (6,115 − 0)/8 = 0,7643 A

Додайте внески струму

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 1,72 + 0,1433 + 0,7643 = 2,627 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR3 = IR3²·R3 = 2,627²·8 = 55,23 W

Відповідь

PR3 = 55,23 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 28,5 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 7,5 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​ = 6 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 6 = 7,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 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/(6+2) = 7,5 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 9,389 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​25 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 3 = 4,852 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​25 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) = 16,67 + (−1,5)·1,852 = 13,89 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,89 + (−1,5)·3 = 9,389 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 440 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 = (21 − 1)·22 = 440 kΩ

Відповідь

Rf = 440 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 10,06 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,9·10/(22 + 10) = 0,2813 V

Накладіть дію двох входів

При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.

Vout = −(4,7/1)·(−1,8) + (1 + 4,7/1)·0,2813 = 8,46 + 1,603 = 10,06 V

Відповідь

Vout = 10,06 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 23,03 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 = 100 mH / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A

Виразіть час

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −5·ln(0,01) = 23,03 ms

Відповідь

t = 23,03 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 0,9946 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) = 10·6,8/(4,7 + 6,8) = 5,913 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 6,8·33 = 224,4 ms

Розряджання

vC(t) = 5,913·e−400/224,4 = 0,9946 V

Відповідь

vC = 0,9946 V

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