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 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​6 ΩBR6​2 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 3 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​1 A

Методом вузлових потенціалів знайдіть потужність PIs, яку віддає джерело струму Is.

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​36 VR3​30 ΩAR5​12 ΩBIs​1,5 A+−V2​5 V

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

V1 = 36 VIs = 1,5 AV2 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 12 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩIR3​A+−V2​12 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.

V1 = 18 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
IR3 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR4​20 ΩAR5​20 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 Ω
I2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

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

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
8.Метод накладанняСкладна
лінійне колоV1​V2​Is​IRL​

Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 7 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 14 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 23 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.

звичайні значення: I = 7 mA2·V1: I = 14 mA−Is: I = 23 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩARL​10 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 10 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAIs​0,5 ABRL​12 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 12 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 36 VIs = 0,5 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −0,7 V

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

Vin = −0,7 VR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0,9 VR3​ = 1 kΩR4​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 0,7 VV2 = 0,9 VR1 = 2 kΩR2 = 2 kΩR3 = 1 kΩR4 = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 5 ms, у mJ.

Vs = 5 VR = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 Vрозмикається при t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 3,3 kΩC220 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 250 ms.

Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 250 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 2,283 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​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​2 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 4·14/(4+14) = 3,111 Ω
Req = R1 + 3,111 = 2 + 3,111 = 5,111 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/5,111 = 2,935 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 2,935·2 = 9,13 V
IR2 = VA/R2 = 9,13/4 = 2,283 A

Відповідь

IR2 = 2,283 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 5,9 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​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​6 ΩBR6​2 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 = 3 + 2 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 2,727 Ω
R3 + 2,727 = 17,73 Ω
R2 ∥ 17,73 = 3,9 Ω
Req = R1 + 3,9 = 2 + 3,9 = 5,9 Ω

Відповідь

Req = 5,9 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 8,45 W

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 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/6 + (VA − 24)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,6167·VA − 0,25·VB = 4,8

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/5 + (VB − VA)/4 = 1
−0,25·VA + 0,45·VB = 1

Розв’яжіть

Δ = (0,6167)(0,45) − (−0,25)(−0,25) = 0,215
VA = Δ1/Δ = 2,41/0,215 = 11,21 V
VB = Δ2/Δ = 1,817/0,215 = 8,45 V

Потужність, яку віддає джерело струму

Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.

PIs = VB·Is = 8,45·1 = 8,45 W

Відповідь

PIs = 8,45 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 29,65 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​ = 2 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​36 VR3​30 ΩAR5​12 ΩBIs​1,5 A+−V2​5 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 36 V, V2 = 5 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/30 + (VA − 36)/2 + (VA − VB)/6 = 0
0,7·VA − 0,1667·VB = 18

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/12 + (VB − VA)/6 + (VB − 5)/5 = 1,5
−0,1667·VA + 0,45·VB = 2,5

Розв’яжіть

Δ = (0,7)(0,45) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2872
VA = Δ1/Δ = 8,517/0,2872 = 29,65 V
VB = Δ2/Δ = 4,75/0,2872 = 16,54 V

Відповідь

VA = 29,65 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = 0,9524 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​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩA+−V2​12 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
3·I1 + 15(I1 − I2) = 18
18·I1 − 15·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 15(I2 − I1) = (−12)
−15·I1 + 23·I2 = −12

Розв’яжіть

Δ = (18)(23) − (−15)(−15) = 189
I1 = Δ1/Δ = 234/189 = 1,238 A
I2 = Δ2/Δ = 54/189 = 0,2857 A

Відповідь

IR3 = I1 − I2 = 0,9524 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,459 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR4​20 ΩAR5​20 ΩB+−V2​24 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 + 20(I1 − I2) = 15
45·I1 − 20·I2 = 15

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
6·I2 + 20(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 46·I2 − 20·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
8·I3 + 20(I3 − I2) = (−24)
−20·I2 + 28·I3 = −24

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 28760
I1 = Δ1/Δ = 3720/28760 = 0,1293 A
I2 = Δ2/Δ = −13200/28760 = −0,459 A
I3 = Δ3/Δ = −34080/28760 = −1,185 A

Відповідь

I2 = −0,459 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR1 = 2,7 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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​6 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 = 5+5 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
VA = 18·3,75/(5+3,75) = 7,714 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,714·5/10 = 3,857 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 7,714)/5 = 2,057 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​6 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7,727 = 3,036 Ω
VB = Is·Req = (−3)·3,036 = −9,107 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −9,107·2,727/7,727 = −3,214 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −3,214)/5 = 0,6429 A

Додайте складові

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 2,057 + 0,6429 = 2,7 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: I = −1 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 вимірювання через внески

Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.

I₁ + I₂ + I₃ = 7
2·I₁ + I₂ + I₃ = 14
I₁ + I₂ − I₃ = 23

Знайдіть внески

I₁ = 14 − 7 = 7 mA
I₃ = (7 − 23)/2 = −8 mA
I₂ = 7 − 7 − (−8) = 8 mA

Вимкніть V₂

I = I₁ + I₃ = 7 + (−8) = −1 mA

Відповідь

I = −1 mA
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,2027 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​ = 8 ΩКЗR2​10 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​10 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) = 15·10/(20+10) = 5 V
Rth​ = 14,67 Ω+−Vth​5 VRL​10 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) = 5/(14,67 + 10) = 0,2027 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 1,172 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​ = 10 ΩКЗR2​3 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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 10 = 11,2 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAIs​0,5 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) = 21,6 + 0,5·1,2 = 22,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,2 + 0,5·10 = 27,2 V
Rth​ = 11,2 Ω+−Vth​27,2 VRL​12 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) = 27,2/(11,2 + 12) = 1,172 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −1,4 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.

Інвертувальний вхід повторює вхід

V₋ = V₊ = −0,7 V
I = V₋/R1 = −0,7/22 = −0,03182 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,7 + (−0,03182)·22 = −1,4 V

Відповідь

Vout = −1,4 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,7842 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) = 0,9·4,7/(1 + 4,7) = 0,7421 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 = −(2/2)·0,7 + (1 + 2/2)·0,7421 = −0,7 + 1,484 = 0,7842 V

Відповідь

Vout = 0,7842 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W = 0,6487 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 = 68 mH / 33 Ω = 2,061 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A

Струм у заданий момент

i(t) = 0,1515·(1 − e−5/2,061) = 0,1381 A

Накопичена енергія

W = ½·L·i² = ½·68·0,1381² = 0,6487 mJ

Відповідь

W = 0,6487 mJ
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 5,102 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.

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

vC(0) = 12·3,3/(2,2 + 3,3) = 7,2 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 3,3·220 = 726 ms

Розряджання

vC(t) = 7,2·e−250/726 = 5,102 V

Відповідь

vC = 5,102 V

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