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​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​15 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​25 Ω

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

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 2 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 6 Ω+−Vs​ = 6 V+−V1​6 VR2​8 ΩAR3​6 ΩBIs​6 A

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

V1 = 6 VIs = 6 AVs = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩIR3​A+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
IR3 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 6 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​6 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩR5 = 6 Ω
I3 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​2 ΩIR4​BIs​1 A

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
PR4 = W
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​4 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

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

V1 = 10 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 0,3 V

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

Vin = 0,3 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −1,1 VR1​ = 10 kΩV2​ = −1,4 VR2​ = 4,7 kΩIf​

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.

V1 = −1,1 VV2 = −1,4 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 80% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 9 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 5,69 V, рівно через 20 ms після старту. При R = 1 kΩ знайдіть потрібну ємність C.

Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 20 msR = 1 kΩ
C = µF

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 3,281 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​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​10 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Req = R1 + 7,143 = 2 + 7,143 = 9,143 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 30/9,143 = 3,281 A

Відповідь

IR1 = 3,281 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 3,16 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​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​25 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 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 9,643 Ω
R3 + 9,643 = 19,64 Ω
R2 ∥ 19,64 = 4,596 Ω
Req = R1 + 4,596 = 3 + 4,596 = 7,596 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 24/7,596 = 3,16 A

Відповідь

IR1 = 3,16 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 123,6 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/5 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,5·VA − 0,25·VB = 0,3

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/12 + (VB − VA)/4 = 5
−0,25·VA + 0,3333·VB = 5

Розв’яжіть

Δ = (0,5)(0,3333) − (−0,25)(−0,25) = 0,1042
VA = Δ1/Δ = 1,35/0,1042 = 12,96 V
VB = Δ2/Δ = 2,575/0,1042 = 24,72 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 = 24,72·5 = 123,6 W

Відповідь

PIs = 123,6 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 17,45 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 − 6
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Розв’яжіть

(VA − 6)/6 + VA/8 + (VA − 6)/6 = 6
VA·(1/6 + 1/8 + 1/6) = 6 + 6/6 + 6/6 = 8
VA = 8/0,4583 = 17,45 V
VB = 11,45 V

Відповідь

VA = 17,45 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = 0,3333 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​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩA+−V2​6 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 + 20(I1 − I2) = 12
32·I1 − 20·I2 = 12

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
6·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 26·I2 = −6

Розв’яжіть

Δ = (32)(26) − (−20)(−20) = 432
I1 = Δ1/Δ = 192/432 = 0,4444 A
I2 = Δ2/Δ = 48/432 = 0,1111 A

Відповідь

IR3 = I1 − I2 = 0,3333 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −0,9326 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​ = 6 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​6 ΩB+−V2​30 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
6·I1 + 25(I1 − I2) = 15
31·I1 − 25·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
25·I2 + 25(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 56·I2 − 6·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
25·I3 + 6(I3 − I2) = (−30)
−6·I2 + 31·I3 = −30

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 33325
I1 = Δ1/Δ = 21000/33325 = 0,6302 A
I2 = Δ2/Δ = 6045/33325 = 0,1814 A
I3 = Δ3/Δ = −31080/33325 = −0,9326 A

Відповідь

I3 = −0,9326 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 3,349 W

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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​2 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+2 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·7/(2+7) = 1,556 Ω
VA = 18·1,556/(6+1,556) = 3,706 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,706·2/7 = 1,059 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1,059 − 0)/2 = 0,5294 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​2 ΩAR4​2 ΩBIs​1 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 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 6,5 = 1,529 Ω
VB = Is·Req = 1·1,529 = 1,529 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 1,529·1,5/6,5 = 0,3529 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (1,529 − 0)/2 = 0,7647 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,5294 + 0,7647 = 1,294 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR4 = IR4²·R4 = 1,294²·2 = 3,349 W

Відповідь

PR4 = 3,349 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 1,73 W, а це неправильно.

8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 18,4 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​ = 10 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​4 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) = 4 ∥ 14 = 3,111 Ω
VA = 10·3,111/(25+3,111) = 1,107 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,107·4/14 = 0,3162 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 4 ΩКЗR3​4 ΩAIs​6 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 = 3,448 Ω, тож лівий шлях — R2+3,448 = 13,45 Ω
Req = R4 ∥ 13,45 = 3,083 Ω
VB = −Is·Req = −6·3,083 = −18,5 V
VA = VB·3,448/13,45 = −4,743 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 = 3,448 Ω
VA‴ = V2·3,448/(4 + 10 + 3,448) = 0,1976·V2

Прирівняйте VA до нуля

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,107 + (−4,743) + 0,1976·V2 = 0
V2 = 3,636/0,1976 = 18,4 V

Відповідь

V2 = 18,4 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 6,444 Ω

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​ = 2 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 2 = 6,444 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = −4,143 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​ = 12 ΩКЗR2​8 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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 12 = 16,8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​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) = 14,4 + (−5)·4,8 = −9,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −9,6 + (−5)·12 = −69,6 V
IN​4,143 ARth​16,8 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 = −69,6/16,8 = −4,143 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,9 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₊ = 0,3 V
I = V₋/R1 = 0,3/1 = 0,3 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,3 + 0,3·2 = 0,9 V

Відповідь

Vout = 0,9 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = −0,4079 mA

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 = −1,1/10 = −0,11 mA
I2 = V2/R2 = −1,4/4,7 = −0,2979 mA
If = I1 + I2 = −0,4079 mA

Відповідь

If = −0,4079 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 3,424 ms

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 = 100 mH / 47 Ω = 2,128 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A

Виразіть час

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −2,128·ln(0,2) = 3,424 ms

Відповідь

t = 3,424 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: C = 19,99 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

5,69 = 9·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(9/(9 − 5,69))
τ = 20/1 = 19,99 ms

Ємність

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

C = τ/R = 19,99/1 = 19,99 µF

Відповідь

C = 19,99 µF

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