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​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​15 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 ΩR5 = 25 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

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

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩAR5​3 ΩBIs​1 A−+V2​6 V

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

V1 = 10 VIs = 1 AV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 ΩR5 = 3 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 Ω+−VR2​+−V1​10 VR3​4 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
VR2 = V
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩIR4​AR5​15 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 Ω
IR4 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBIs​?

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

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 Ω−+VR2​R4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​5 ΩAIs​5 AB−+V2​18 V

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

V1 = 15 VIs = 5 AV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 Ω
VR2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​4 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 1 kΩRf = 2 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 0,3 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,2 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = 0,3 VV2 = 0,2 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 5 ΩL47 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 10 ms, у mJ.

Vs = 5 VR = 5 ΩL = 47 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 9 V, рівно через 500 ms після старту. При R = 10 kΩ знайдіть потрібну ємність C.

Vs = 15 VVth = 9 VT = 500 msR = 10 kΩ
C = µF

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 21,84 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​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​2 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 2·23/(2+23) = 1,84 Ω
Req = R1 + 1,84 = 20 + 1,84 = 21,84 Ω

Відповідь

Req = 21,84 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,2228 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​ = 30 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBR6​8 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 = 25 + 8 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 8,8 Ω
R3 + 8,8 = 33,8 Ω
R2 ∥ 33,8 = 10,39 Ω
Req = R1 + 10,39 = 30 + 10,39 = 40,39 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/40,39 = 0,2228 A

Відповідь

IR1 = 0,2228 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 1,045 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 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 − 15)/8 + (VA − VB)/15 = 0
0,3917·VA − 0,06667·VB = 1,875

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/4 + (VB − VA)/15 = 3
−0,06667·VA + 0,3167·VB = 3

Розв’яжіть

Δ = (0,3917)(0,3167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1196
VA = Δ1/Δ = 0,7937/0,1196 = 6,638 V
VB = Δ2/Δ = 1,3/0,1196 = 10,87 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 6,638)/8 = 1,045 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 1,696 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​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​10 VR3​10 ΩAR5​3 ΩBIs​1 A−+V2​6 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 V, V2 = −6 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/10 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/5 = 0
0,4·VA − 0,2·VB = 1

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/3 + (VB − VA)/5 + (VB − (−6))/2 = 1
−0,2·VA + 1,033·VB = −2

Розв’яжіть

Δ = (0,4)(1,033) − (−0,2)(−0,2) = 0,3733
VA = Δ1/Δ = 0,6333/0,3733 = 1,696 V
VB = Δ2/Δ = −0,6/0,3733 = −1,607 V

Відповідь

VA = 1,696 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: VR2 = −7,727 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​ = 10 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​10 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
10·I1 + 4(I1 − I2) = 10
14·I1 − 4·I2 = 10

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 + 4(I2 − I1) = (−15)
−4·I1 + 9·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (14)(9) − (−4)(−4) = 110
I1 = Δ1/Δ = 30/110 = 0,2727 A
I2 = Δ2/Δ = −170/110 = −1,545 A

Відповідь

IR2 = I2 = −1,545 A
VR2 = IR2·R2 = −1,545·5 = −7,727 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR4 = 0,4108 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​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​15 ΩB+−V2​9 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 + 5(I1 − I2) = 10
30·I1 − 5·I2 = 10

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 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 50·I2 − 15·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
10·I3 + 15(I3 − I2) = (−9)
−15·I2 + 25·I3 = −9

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 30125
I1 = Δ1/Δ = 9575/30125 = 0,3178 A
I2 = Δ2/Δ = −2800/30125 = −0,09295 A
I3 = Δ3/Δ = −12525/30125 = −0,4158 A

Відповідь

IR4 = I1 − I2 = 0,4108 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 4,571 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​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​3 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 = 2+3 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·5/(20+5) = 4 Ω
VA = 24·4/(15+4) = 5,053 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,053·3/5 = 3,032 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (5,053 − 3,032)/2 = 1,011 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 = 8,571 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·3/13,57 = −0,2211·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 1,011 − 0,2211·Is = 0
Is = 1,011/0,2211 = 4,571 A

Відповідь

Is = 4,571 A
8.Метод накладання

Відповідь: VR2 = 39,28 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​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​5 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) = 5 ∥ 45 = 4,5 Ω
VA = 15·4,5/(4+4,5) = 7,941 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,941·30/45 = 5,294 V
VR2′ = VB − VA = 5,294 − 7,941 = −2,647 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​5 ΩAIs​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 = 2,222 Ω, тож лівий шлях — R2+2,222 = 17,22 Ω
Req = R4 ∥ 17,22 = 10,94 Ω
VB = Is·Req = 5·10,94 = 54,71 V
VA = VB·2,222/17,22 = 7,059 V
VR2″ = VB − VA = 54,71 − 7,059 = 47,65 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​5 ΩAОБРИВB−+V2​18 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·17,22/47,22 = −6,565 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −6,565·2,222/17,22 = −0,8471 V
VR2‴ = VB − VA = −6,565 − −0,8471 = −5,718 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−2,647) + 47,65 + (−5,718) = 39,28 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,3333 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​ = 12 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​4 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 15 = 18 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 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) = 24·4/(12+4) = 6 V
IN​0,3333 ARth​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 = 6/18 = 0,3333 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 20,75 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​ = 2 ΩКЗR2​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 2 = 3,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 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) = 6,75 + 4·1,5 = 12,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,75 + 4·2 = 20,75 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 4 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.

Коефіцієнт підсилення

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 2/1 = 3

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/3 = 4 V

Відповідь

Vin,max = 4 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −3,043 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 = 0,3/1 = 0,3 mA
I2 = V2/R2 = 0,2/47 = 0,004255 mA
If = I1 + I2 = 0,3043 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −10·0,3043 = −3,043 V

Відповідь

Vout = −3,043 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W = 10,08 mJ

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 = 47 mH / 5 Ω = 9,4 ms
i(∞) = Vs/R = 5/5 = 1 A

Струм у заданий момент

i(t) = 1·(1 − e−10/9,4) = 0,6549 A

Накопичена енергія

W = ½·L·i² = ½·47·0,6549² = 10,08 mJ

Відповідь

W = 10,08 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: C = 54,57 µF

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.

Потрібна стала часу

9 = 15·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(15/(15 − 9))
τ = 500/0,9163 = 545,7 ms

Ємність

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

C = τ/R = 545,7/10 = 54,57 µF

Відповідь

C = 54,57 µF

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