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​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​5 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 5 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 8 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

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

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 9 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩVA = 9 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 2 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
I1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​12 ΩAR5​12 Ω+−VR5​B+−V2​15 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR5 на R5 з указаною полярністю.

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 ΩR5 = 12 Ω
VR5 = 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 = 2 V і Is = 2 mA I = −1 mA; при Vs = 20 V і Is = 2 mA I = 3,5 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 20 V і Is = 10 mA.

2 V, 2 mA → −1 mA20 V, 2 mA → 3,5 mAVs = 20 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​?

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

V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​3 ABab

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

V1 = 36 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 0,2 V

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

Vin = 0,2 VR1 = 1 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −1,1 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,5 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = −1,1 VV2 = 0,5 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 68 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.

Vs = 5 VR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 VR1​ = 5 ΩR2​ = 33 Ωзамикається при t = 0L47 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 20 ms.

Vs = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 33 ΩL = 47 mHt = 20 ms
i = A

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,5 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​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​5 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 20 + 4 = 24 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/24 = 0,625 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,625·20 = 2,5 V
IR2 = VA/R2 = 2,5/5 = 0,5 A

Відповідь

IR2 = 0,5 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,2386 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​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​6 ΩBR6​5 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 + 5 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 4,105 Ω
R3 + 4,105 = 12,11 Ω
R2 ∥ 12,11 = 5,476 Ω
Req = R1 + 5,476 = 6 + 5,476 = 11,48 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 5/11,48 = 0,4357 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,4357·6 = 2,386 V
IR2 = VA/R2 = 2,386/10 = 0,2386 A

Відповідь

IR2 = 0,2386 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 2,246 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​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 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 − 24)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,6583·VA − 0,125·VB = 8

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/15 + (VB − VA)/8 = 3
−0,125·VA + 0,1917·VB = 3

Розв’яжіть

Δ = (0,6583)(0,1917) − (−0,125)(−0,125) = 0,1106
VA = Δ1/Δ = 1,908/0,1106 = 17,26 V
VB = Δ2/Δ = 2,975/0,1106 = 26,91 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 17,26)/3 = 2,246 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 2,93 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.

ЗСК для вузла A

VA відоме, тож це рівняння дає VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(9 − 5)/25 + 9/8 = (VB − 9)/25
1,285 = (VB − 9)/25 → VB = 41,13 V

ЗСК для вузла B

Струми, що виходять з B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (41,13 − 9)/25 + 41,13/25 = 2,93 A

Відповідь

Is = 2,93 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 0,5625 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​ = 2 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​18 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
2·I1 + 2(I1 − I2) = 9
4·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 5·I2 = −18

Розв’яжіть

Δ = (4)(5) − (−2)(−2) = 16
I1 = Δ1/Δ = 9/16 = 0,5625 A
I2 = Δ2/Δ = −54/16 = −3,375 A

Відповідь

I1 = 0,5625 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR5 = 10,06 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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​12 ΩAR5​12 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
25·I1 + 12(I1 − I2) = 18
37·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
20·I2 + 12(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 44·I2 − 12·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
5·I3 + 12(I3 − I2) = (−15)
−12·I2 + 17·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 19900
I1 = Δ1/Δ = 8712/19900 = 0,4378 A
I2 = Δ2/Δ = −2988/19900 = −0,1502 A
I3 = Δ3/Δ = −19668/19900 = −0,9883 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 0,8382 A
VR5 = IR5·R5 = 0,8382·12 = 10,06 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = −2,5 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
2·k₁ + 2·k₂ = −1
20·k₁ + 2·k₂ = 3,5

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (2)(2) − (2)(20) = −36
k₁ = Δ1/Δ = −9/−36 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = 27/−36 = −0,75
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = −0,75

Обчисліть новий струм

I = 0,25·20 + (−0,75)·10 = −2,5 mA

Відповідь

I = −2,5 mA
8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 17,5 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​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 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 ∥ 45 = 2,813 Ω
VA = 12·2,813/(12+2,813) = 2,278 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,278·25/45 = 1,266 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​3 ΩAIs​2,5 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R3 = 2,4 Ω, тож лівий шлях — R2+2,4 = 22,4 Ω
Req = R4 ∥ 22,4 = 11,81 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·11,81 = −29,54 V
VA = VB·2,4/22,4 = −3,165 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 = 2,4 Ω
VA‴ = V2·2,4/(25 + 20 + 2,4) = 0,05063·V2

Прирівняйте VA до нуля

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 2,278 + (−3,165) + 0,05063·V2 = 0
V2 = 0,8861/0,05063 = 17,5 V

Відповідь

V2 = 17,5 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 1,455 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​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​8 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 5 = 6,6 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​8 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) = 12·8/(2+8) = 9,6 V
IN​1,455 ARth​6,6 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 = 9,6/6,6 = 1,455 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 5,857 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​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 3 = 8,217 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​3 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) = 23,48 + 3·5,217 = 39,13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 39,13 + 3·3 = 48,13 V
IN​5,857 ARth​8,217 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 = 48,13/8,217 = 5,857 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 9,6 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₊ = 0,2 V
I = V₋/R1 = 0,2/1 = 0,2 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,2 + 0,2·47 = 9,6 V

Відповідь

Vout = 9,6 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,258 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 = −1,1/100 = −0,011 mA
I2 = V2/R2 = 0,5/22 = 0,02273 mA
If = I1 + I2 = 0,01173 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −22·0,01173 = −0,258 V

Відповідь

Vout = −0,258 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 1,839 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 = 68 mH / 68 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/68 = 0,07353 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−1/1 = 1,839 V

Відповідь

vL = 1,839 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 1,614 A

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

До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.

i(0) = 9/(5 + 33) = 0,2368 A
i(∞) = 9/5 = 1,8 A
τ = L/R = 47/5 = 9,4 ms
i(t) = 1,8 + (0,2368 − 1,8)·e−t/τ

Струм у заданий момент

i(20) = 1,8 + (−1,563)·e−20/9,4 = 1,614 A

Відповідь

i = 1,614 A

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