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 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​20 ΩB

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

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​2 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 15 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

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

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 15 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩVA = 15 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩIR2​+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩIR4​AR5​4 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 ΩR5 = 4 Ω
IR4 = 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 = 8 mA I = 3,2 mA; при Vs = 12 V і Is = 1 mA I = 6,7 mA. Знайдіть струм навантаження I при Vs = 4 V і Is = 10 mA.

12 V, 8 mA → 3,2 mA12 V, 1 mA → 6,7 mAVs = 4 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩIR2​R4​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​25 ΩAIs​2 AB+−V2​18 V

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

V1 = 15 VIs = 2 AV2 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1,1 VR1​ = 22 kΩV2​ = 2,7 VR3​ = 22 kΩR4​ = 47 kΩ

Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 1,1 VV2 = 2,7 VR1 = R3 = 22 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −2 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0,9 VR2​ = 1 kΩ

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

V1 = −2 VV2 = 0,9 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​6 Vt = 0R = 33 ΩL47 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.

Vs = 6 VR = 33 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C47 µF+−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 10 ms після старту. При C = 47 µF знайдіть потрібний опір R.

Vs = 15 VVth = 9 VT = 10 msC = 47 µF
R = kΩ

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,587 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​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​20 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 20·40/(20+40) = 13,33 Ω
Req = R1 + 13,33 = 2 + 13,33 = 15,33 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/15,33 = 0,587 A

Відповідь

IR1 = 0,587 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,8811 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​ = 25 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​2 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 1,84 Ω
R3 + 1,84 = 26,84 Ω
R2 ∥ 26,84 = 4,215 Ω
Req = R1 + 4,215 = 6 + 4,215 = 10,21 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/10,21 = 0,8811 A

Відповідь

IR1 = 0,8811 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 1,561 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​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​20 ΩBIs​2 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/3 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/3 = 0
0,9167·VA − 0,3333·VB = 3,75

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/20 + (VB − VA)/3 = 2
−0,3333·VA + 0,3833·VB = 2

Розв’яжіть

Δ = (0,9167)(0,3833) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,2403
VA = Δ1/Δ = 2,104/0,2403 = 8,757 V
VB = Δ2/Δ = 3,083/0,2403 = 12,83 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 8,757)/4 = 1,561 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 10,82 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
(15 − 12)/12 + 15/2 = (VB − 15)/6
7,75 = (VB − 15)/6 → VB = 61,5 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 = (61,5 − 15)/6 + 61,5/20 = 10,82 A

Відповідь

Is = 10,82 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −1,259 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​ = 20 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​30 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 + 3(I1 − I2) = 9
15·I1 − 3·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
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 23·I2 = −30

Розв’яжіть

Δ = (15)(23) − (−3)(−3) = 336
I1 = Δ1/Δ = 117/336 = 0,3482 A
I2 = Δ2/Δ = −423/336 = −1,259 A

Відповідь

IR2 = I2 = −1,259 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR4 = 0,9685 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​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​4 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
4·I1 + 5(I1 − I2) = 10
9·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
8·I2 + 5(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 17·I2 − 4·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
15·I3 + 4(I3 − I2) = (−6)
−4·I2 + 19·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 2288
I1 = Δ1/Δ = 2950/2288 = 1,289 A
I2 = Δ2/Δ = 734/2288 = 0,3208 A
I3 = Δ3/Δ = −568/2288 = −0,2483 A

Відповідь

IR4 = I1 − I2 = 0,9685 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: I = −2,6 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 + 8·k₂ = 3,2
12·k₁ + 1·k₂ = 6,7

Знайдіть коефіцієнти

Δ = (12)(1) − (8)(12) = −84
k₁ = Δ1/Δ = −50,4/−84 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = 42/−84 = −0,5
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = −0,5

Обчисліть новий струм

I = 0,6·4 + (−0,5)·10 = −2,6 mA

Відповідь

I = −2,6 mA
8.Метод накладання

Відповідь: IR2 = 0,5046 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​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​25 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) = 25 ∥ 38 = 15,08 Ω
VA = 15·15,08/(2+15,08) = 13,24 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,24·8/38 = 2,788 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (2,788 − 13,24)/30 = −0,3485 A
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​25 ΩAIs​2 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 = 1,852 Ω, тож лівий шлях — R2+1,852 = 31,85 Ω
Req = R4 ∥ 31,85 = 6,394 Ω
VB = Is·Req = 2·6,394 = 12,79 V
VA = VB·1,852/31,85 = 0,7435 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (12,79 − 0,7435)/30 = 0,4015 A
R1​ = 2 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​25 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·31,85/39,85 = 14,39 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 14,39·1,852/31,85 = 0,8364 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (14,39 − 0,8364)/30 = 0,4517 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0,3485) + 0,4015 + 0,4517 = 0,5046 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,7742 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​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​5 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 4 = 7,75 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​5 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) = 24·5/(15+5) = 6 V
IN​0,7742 ARth​7,75 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 = 6/7,75 = 0,7742 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 1,684 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​ = 20 ΩR3​ = 4 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 = 20·25/(20+25) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 4 = 15,11 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 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) = 2,778 + 1,5·11,11 = 19,44 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19,44 + 1,5·4 = 25,44 V
IN​1,684 ARth​15,11 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 = 25,44/15,11 = 1,684 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 3,418 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) = 2,7·47/(22 + 47) = 1,839 V
V₋ = V₊

ЗСК для інвертувального входу

(1,1 − 1,839)/22 = (1,839 − Vout)/47
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (47/22)·(2,7 − 1,1) = 3,418 V

Відповідь

Vout = 3,418 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,47 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 = −2/2 = −1 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/1 = 0,9 mA
If = I1 + I2 = −0,1 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −4,7·(−0,1) = 0,47 V

Відповідь

Vout = 0,47 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W(∞) = 0,7769 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 / 33 Ω = 1,424 ms
i(∞) = Vs/R = 6/33 = 0,1818 A

Накопичена енергія

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·0,1818² = 0,7769 mJ

Відповідь

W(∞) = 0,7769 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: R = 0,2322 kΩ

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−10/τ) → τ = 10/ln(15/(15 − 9))
τ = 10/0,9163 = 10,91 ms

Опір

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

R = τ/C = 10,91/47 = 0,2322 kΩ

Відповідь

R = 0,2322 kΩ

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