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​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​6 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 10 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 8 VIx​Is​5 AAR1​4 ΩR2​8 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 = 5 AVs = 8 VR1 = 4 ΩR2 = 8 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​12 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A−+V2​30 V

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

V1 = 18 VIs = 6 AV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 6 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩR2​ = 8 ΩIR2​+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​2 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 Ω
I2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​5 Ω+−VR4​BIs​3 A

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

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
VR4 = V
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​5 VR3​20 Ω+−VR3​AIs​4 AB−+V2​30 V

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

V1 = 5 VIs = 4 AV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 Ω
VR3 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 18 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 0,5 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 100 kΩ

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

Vin = 0,5 VRa = 4,7 kΩRb = 100 kΩR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = 2,8 VR = 10 kΩ

Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 2,8 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.

Vin = 2,8 VR = 10 kΩC = 0,1 µFVsat = ±14 V
t = ms
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 100 ΩL33 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 80% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 10 VR = 100 ΩL = 33 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​5 Vt = 0R = 6,8 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 3 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 750 ms.

Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 3 Vt = 750 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 22,35 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​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 12·19/(12+19) = 7,355 Ω
Req = R1 + 7,355 = 15 + 7,355 = 22,35 Ω

Відповідь

Req = 22,35 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,2238 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​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBR6​6 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,857 Ω
R3 + 6,857 = 9,857 Ω
R2 ∥ 9,857 = 4,964 Ω
Req = R1 + 4,964 = 15 + 4,964 = 19,96 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/19,96 = 0,4508 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,4508·15 = 2,238 V
IR2 = VA/R2 = 2,238/10 = 0,2238 A

Відповідь

IR2 = 0,2238 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 + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/4 + (VA + 8)/8 = 5
VA = (5 − 8/8)/(1/4 + 1/8) = 10,67 V
VB = 10,67 + 8 = 18,67 V

Струм через джерело напруги

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

Ix = VB/R2 = 18,67/8 = 2,333 A

Відповідь

Ix = 2,333 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 8,3 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​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​12 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A−+V2​30 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 18 V, V2 = −30 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/12 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/30 = 0
0,3167·VA − 0,03333·VB = 3,6

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/6 + (VB − VA)/30 + (VB − (−30))/8 = (−6)
−0,03333·VA + 0,325·VB = −9,75

Розв’яжіть

Δ = (0,3167)(0,325) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,1018
VA = Δ1/Δ = 0,845/0,1018 = 8,3 V
VB = Δ2/Δ = −2,967/0,1018 = −29,15 V

Відповідь

VA = 8,3 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −1,227 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​ = 12 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​4 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 6
16·I1 − 4·I2 = 6

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
8·I2 + 4(I2 − I1) = (−15)
−4·I1 + 12·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (16)(12) − (−4)(−4) = 176
I1 = Δ1/Δ = 12/176 = 0,06818 A
I2 = Δ2/Δ = −216/176 = −1,227 A

Відповідь

IR2 = I2 = −1,227 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = 0,4258 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​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​2 ΩB+−V2​12 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 + 4(I1 − I2) = 30
7·I1 − 4·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 4(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 36·I2 − 2·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
6·I3 + 2(I3 − I2) = (−12)
−2·I2 + 8·I3 = −12

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1860
I1 = Δ1/Δ = 8424/1860 = 4,529 A
I2 = Δ2/Δ = 792/1860 = 0,4258 A
I3 = Δ3/Δ = −2592/1860 = −1,394 A

Відповідь

I2 = 0,4258 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: VR4 = −1,783 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​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​5 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 = 3+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
VA = 15·5,714/(3+5,714) = 9,836 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,836·5/8 = 6,148 V
VR4′ = VB − 0 = 6,148 − 0 = 6,148 V
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​20 ΩAR4​5 ΩBIs​3 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 5,609 = 2,643 Ω
VB = Is·Req = (−3)·2,643 = −7,93 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −7,93·2,609/5,609 = −3,689 V
VR4″ = VB − 0 = −7,93 − 0 = −7,93 V

Додайте складові

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 6,148 + (−7,93) = −1,783 V

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

8.Метод накладання

Відповідь: VR3 = −33,81 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​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​5 VR3​20 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) = 20 ∥ 32 = 12,31 Ω
VA = 5·12,31/(20+12,31) = 1,905 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,905·30/32 = 1,786 V
VR3′ = VA − 0 = 1,905 − 0 = 1,905 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​20 ΩAIs​4 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 = 10 Ω, тож лівий шлях — R2+10 = 12 Ω
Req = R4 ∥ 12 = 8,571 Ω
VB = Is·Req = (−4)·8,571 = −34,29 V
VA = VB·10/12 = −28,57 V
VR3″ = VA − 0 = −28,57 − 0 = −28,57 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·12/42 = −8,571 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −8,571·10/12 = −7,143 V
VR3‴ = VA − 0 = −7,143 − 0 = −7,143 V

Додайте складові

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 1,905 + (−28,57) + (−7,143) = −33,81 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,4706 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​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 15 = 17 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 24·3/(6+3) = 8 V
IN​0,4706 ARth​17 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 = 8/17 = 0,4706 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 4,395 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​ = 5 ΩКЗR2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 5 = 7,308 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​2,5 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) = 13,85 + 2,5·2,308 = 19,62 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,62 + 2,5·5 = 32,12 V
IN​4,395 ARth​7,308 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 = 32,12/7,308 = 4,395 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,9551 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) = 0,5·100/(4,7 + 100) = 0,4776 V

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,4776·(1 + 2/2) = 0,9551 V

Відповідь

Vout = 0,9551 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: t = 5 ms

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.

Вхідний струм і швидкість наростання

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

RC = 10 kΩ · 0,1 µF = 1 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −2,8/1 = −2,8 V/ms

Час до насичення

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·1/2,8 = 5 ms

Відповідь

t = 5 ms
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 0,5311 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 = 33 mH / 100 Ω = 0,33 ms
i(∞) = Vs/R = 10/100 = 0,1 A

Виразіть час

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,33·ln(0,2) = 0,5311 ms

Відповідь

t = 0,5311 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 4,336 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 5 + (3 − 5)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(750) = 5 + (−2)·e−750/680 = 4,336 V

Відповідь

vC = 4,336 V

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