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​12 ΩAR4​4 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBR6​20 Ω

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

V1 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 9 VIs​5 AAR1​20 ΩR2​12 ΩB

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).

Is = 5 AVs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 5 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​20 ΩIR4​B0,5·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,5·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 Ωg = 0,5 A/V
IR4 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 5 ΩIR1​R2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​25 ΩAR5​5 ΩIR5​B+−V2​5 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR5 через R5 у напрямку стрілки.

V1 = 6 VV2 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 Ω
IR5 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​5 ΩBIs​5 A

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​3 Ω+−VR3​AIs​1 AB−+V2​18 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR3 на R3 з указаною полярністю.

V1 = 36 VIs = 1 AV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ω
VR3 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAIs​2 ABRL​3 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 3 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩRL = 3 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩVin​R1​ = 2 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −0,5 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,5 VR2​ = 2 kΩ

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

V1 = −0,5 VV2 = 1,5 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL22 mHi(t)

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

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 Vt = 0R = 3,3 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 6 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 75 ms.

Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 6 Vt = 75 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 8,857 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​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​12 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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 12·16/(12+16) = 6,857 Ω
Req = R1 + 6,857 = 2 + 6,857 = 8,857 Ω

Відповідь

Req = 8,857 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,1545 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​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBR6​20 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 + 20 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 2,813 Ω
R3 + 2,813 = 27,81 Ω
R2 ∥ 27,81 = 7,355 Ω
Req = R1 + 7,355 = 25 + 7,355 = 32,36 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 5/32,36 = 0,1545 A

Відповідь

IR1 = 0,1545 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 31,88 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.

Утворіть надвузол

Струм через джерело напруги між A і B невідомий, тож ЗСК не можна записати для A чи B окремо. Об’єднайте A, B і джерело в один надвузол: струм, що входить у нього, дорівнює струму, що виходить.

VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/20 + (VA + 9)/12 = 5
VA = (5 − 9/12)/(1/20 + 1/12) = 31,88 V
VB = 31,88 + 9 = 40,88 V

Відповідь

VA = 31,88 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR4 = 2,618 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

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,4333·VA − 0,03333·VB = 1,8

ЗСК для вузла B

Залежне джерело подає g·VA у вузол B. Розглядайте його як незалежне джерело, потім перенесіть доданок з VA у ліву частину.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,5·VA
−0,5333·VA + 0,08333·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,4333)(0,08333) − (−0,03333)(−0,5333) = 0,01833
VA = Δ1/Δ = 0,15/0,01833 = 8,182 V
VB = Δ2/Δ = 0,96/0,01833 = 52,36 V

Струм через R₄

IR4 = VB/R4 = 52,36/20 = 2,618 A

Відповідь

IR4 = 2,618 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 1,444 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​ = 5 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​6 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
5·I1 + 6(I1 − I2) = 18
11·I1 − 6·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
12·I2 + 6(I2 − I1) = (−15)
−6·I1 + 18·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (11)(18) − (−6)(−6) = 162
I1 = Δ1/Δ = 234/162 = 1,444 A
I2 = Δ2/Δ = −57/162 = −0,3519 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,444 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR5 = 0,5597 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​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​25 ΩAR5​5 ΩB+−V2​5 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
8·I1 + 25(I1 − I2) = 6
33·I1 − 25·I2 = 6

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
3·I2 + 25(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 33·I2 − 5·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
6·I3 + 5(I3 − I2) = (−5)
−5·I2 + 11·I3 = −5

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4279
I1 = Δ1/Δ = 1403/4279 = 0,3279 A
I2 = Δ2/Δ = 825/4279 = 0,1928 A
I3 = Δ3/Δ = −1570/4279 = −0,3669 A

Відповідь

IR5 = I2 − I3 = 0,5597 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR3 = 1,844 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​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​10 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 = 6+5 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·11/(10+11) = 5,238 Ω
VA = 9·5,238/(10+5,238) = 3,094 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,094·5/11 = 1,406 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,094 − 1,406)/6 = 0,2812 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​10 ΩAR4​5 ΩBIs​5 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 11 = 3,438 Ω
VB = Is·Req = (−5)·3,438 = −17,19 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −17,19·5/11 = −7,813 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (−7,812 − −17,19)/6 = 1,563 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,2812 + 1,563 = 1,844 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: VR3 = 11,73 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​ = 5 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 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 ∥ 11 = 2,357 Ω
VA = 36·2,357/(4+2,357) = 13,35 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13,35·6/11 = 7,281 V
VR3′ = VA − 0 = 13,35 − 0 = 13,35 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​3 ΩAIs​1 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 = 1,714 Ω, тож лівий шлях — R2+1,714 = 6,714 Ω
Req = R4 ∥ 6,714 = 3,169 Ω
VB = Is·Req = 1·3,169 = 3,169 V
VA = VB·1,714/6,714 = 0,809 V
VR3″ = VA − 0 = 0,809 − 0 = 0,809 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​3 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·6,714/12,71 = −9,506 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −9,506·1,714/6,714 = −2,427 V
VR3‴ = VA − 0 = −2,427 − 0 = −2,427 V

Додайте складові

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 13,35 + 0,809 + (−2,427) = 11,73 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 2,857 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​ = 5 ΩR3​ = 2 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 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 2 = 3,429 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 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) = 10·2/(5+2) = 2,857 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 2,054 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​ = 5 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 5 = 7,182 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAIs​2 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) = 6,545 + 2·2,182 = 10,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,91 + 2·5 = 20,91 V
Rth​ = 7,182 Ω+−Vth​20,91 VRL​3 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) = 20,91/(7,182 + 3) = 2,054 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 5,532 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| = Rf/R1 = 4,7/2 = 2,35

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/2,35 = 5,532 V

Відповідь

Vin,max = 5,532 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,7394 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 = −0,5/47 = −0,01064 mA
I2 = V2/R2 = 1,5/2 = 0,75 mA
If = I1 + I2 = 0,7394 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −1·0,7394 = −0,7394 V

Відповідь

Vout = −0,7394 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 0,6182 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 = 22 mH / 50 Ω = 0,44 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 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 = 6·e−1/0,44 = 0,6182 V

Відповідь

vL = 0,6182 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 8,691 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.

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.

vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 9 + (6 − 9)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(75) = 9 + (−3)·e−75/33 = 8,691 V

Відповідь

vC = 8,691 V

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