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​ = 3 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​4 ΩB

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

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​5 ΩBR6​4 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 ΩR5 = 20 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

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

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​5 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 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 ΩVA = 9 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​2 ΩAR5​2 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I3 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 30 VV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 ΩR5 = 2 Ω
I3 = A
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 = 12 V і Is = 2 mA I = 2,8 mA; при Vs = 6 V і Is = 10 mA I = 3,2 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 5 V і Is = 4 mA.

12 V, 2 mA → 2,8 mA6 V, 10 mA → 3,2 mAVs = 5 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​?

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

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩARL​5 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 5 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAIs​4 ABRL​15 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 15 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 2,7 VR1​ = 10 kΩV2​ = −2,3 VR3​ = 10 kΩR4​ = 22 kΩ

Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть напругу V− на інвертувальному вході.

V1 = 2,7 VV2 = −2,3 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
V− = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = 1,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,1 VR3​ = 10 kΩR4​ = 1 kΩ

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

V1 = 1,2 VV2 = 0,1 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩR3 = 10 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 ΩL220 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 25 ms.

Vs = 9 VR = 22 ΩL = 220 mHt = 25 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 3,75 V, рівно через 500 ms після старту. При R = 10 kΩ знайдіть потрібну ємність C.

Vs = 5 VVth = 3,75 VT = 500 msR = 10 kΩ
C = µF

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 2,783 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​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​4 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 15·9/(15+9) = 5,625 Ω
Req = R1 + 5,625 = 3 + 5,625 = 8,625 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 24/8,625 = 2,783 A

Відповідь

IR1 = 2,783 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 27,07 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​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​5 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 4,138 Ω
R3 + 4,138 = 24,14 Ω
R2 ∥ 24,14 = 7,071 Ω
Req = R1 + 7,071 = 20 + 7,071 = 27,07 Ω

Відповідь

Req = 27,07 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 1,112 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​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 18 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 − 18)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0,75·VA − 0,5·VB = 0,9

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)/2 = (−4)
−0,5·VA + 0,75·VB = −4

Розв’яжіть

Δ = (0,75)(0,75) − (−0,5)(−0,5) = 0,3125
VA = Δ1/Δ = −1,325/0,3125 = −4,24 V
VB = Δ2/Δ = −2,55/0,3125 = −8,16 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − −4,24)/20 = 1,112 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 3,5 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 − 10)/4 + 9/12 = (VB − 9)/12
0,5 = (VB − 9)/12 → VB = 15 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 = (15 − 9)/12 + 15/5 = 3,5 A

Відповідь

Is = 3,5 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 0,4333 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​10 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) = 9
16·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 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 16·I2 = −10

Розв’яжіть

Δ = (16)(16) − (−4)(−4) = 240
I1 = Δ1/Δ = 104/240 = 0,4333 A
I2 = Δ2/Δ = −124/240 = −0,5167 A

Відповідь

I1 = 0,4333 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −0,9545 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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​2 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
12·I1 + 2(I1 − I2) = 30
14·I1 − 2·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
5·I2 + 2(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 9·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
10·I3 + 2(I3 − I2) = (−12)
−2·I2 + 12·I3 = −12

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1408
I1 = Δ1/Δ = 3072/1408 = 2,182 A
I2 = Δ2/Δ = 384/1408 = 0,2727 A
I3 = Δ3/Δ = −1344/1408 = −0,9545 A

Відповідь

I3 = −0,9545 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = 1,8 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
12·k₁ + 2·k₂ = 2,8
6·k₁ + 10·k₂ = 3,2

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (12)(10) − (2)(6) = 108
k₁ = Δ1/Δ = 21,6/108 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = 21,6/108 = 0,2
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,2

Обчисліть новий струм

I = 0,2·5 + 0,2·4 = 1,8 mA

Відповідь

I = 1,8 mA
8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 29,2 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​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​10 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 ∥ 17 = 3,864 Ω
VA = 10·3,864/(25+3,864) = 1,339 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,339·12/17 = 0,9449 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​5 ΩAIs​3 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 = 4,167 Ω, тож лівий шлях — R2+4,167 = 9,167 Ω
Req = R4 ∥ 9,167 = 5,197 Ω
VB = −Is·Req = −3·5,197 = −15,59 V
VA = VB·4,167/9,167 = −7,087 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 = 4,167 Ω
VA‴ = V2·4,167/(12 + 5 + 4,167) = 0,1969·V2

Прирівняйте VA до нуля

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,339 + (−7,087) + 0,1969·V2 = 0
V2 = 5,748/0,1969 = 29,2 V

Відповідь

V2 = 29,2 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,1622 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​ = 4 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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 6 = 7,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 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) = 6·2/(4+2) = 2 V
Rth​ = 7,333 Ω+−Vth​2 VRL​5 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 2/(7,333 + 5) = 0,1622 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 60 W

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​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​20 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 3 = 11,57 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​20 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) = 6,857 + 4·8,571 = 41,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 41,14 + 4·3 = 53,14 V
Rth​ = 11,57 Ω+−Vth​53,14 VRL​15 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 53,14/(11,57 + 15) = 2 A
PL = IL²·RL = 2²·15 = 60 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: V− = −1,581 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 входах

Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −2,3·22/(10 + 22) = −1,581 V
V₋ = V₊

Відповідь

V− = −1,581 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,2443 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) = 0,1·1/(10 + 1) = 0,009091 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 = −(1/4,7)·1,2 + (1 + 1/4,7)·0,009091 = −0,2553 + 0,01103 = −0,2443 V

Відповідь

Vout = −0,2443 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 0,7388 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 = 220 mH / 22 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 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 = 9·e−25/10 = 0,7388 V

Відповідь

vL = 0,7388 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: C = 36,07 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

3,75 = 5·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(5/(5 − 3,75))
τ = 500/1,386 = 360,7 ms

Ємність

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

C = τ/R = 360,7/10 = 36,07 µF

Відповідь

C = 36,07 µF

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