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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBR6​25 Ω

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

V1 = 5 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 3 VIs​2,5 AAR1​20 ΩR2​20 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 VB (відносно землі).

Is = 2,5 AVs = 3 VR1 = 20 ΩR2 = 20 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​25 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 13,5 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩVA = 13,5 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​10 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR4​2 ΩAR5​10 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 ΩR5 = 10 Ω
I1 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​8 Ω+−VR2​AR4​12 ΩBIs​4 A

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ω
VR2 = V
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​15 Ω+−VR3​AIs​1 AB+−V2​24 V

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

V1 = 9 VIs = 1 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
VR3 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAIs​5 ABRL​6 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 6 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = 1,6 V

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

Vin = 1,6 VR1 = 4,7 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,8 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = 0,2 VV2 = 1,8 VR1 = 47 kΩR2 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 50 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 10 VR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 7,58 V, рівно через 100 ms після старту. При R = 10 kΩ знайдіть потрібну ємність C.

Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 100 msR = 10 kΩ
C = µF

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,3803 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​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 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 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 10·17/(10+17) = 6,296 Ω
Req = R1 + 6,296 = 20 + 6,296 = 26,3 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 10/26,3 = 0,3803 A

Відповідь

IR1 = 0,3803 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,4777 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​ = 3 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​3 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 2,75 Ω
R3 + 2,75 = 5,75 Ω
R2 ∥ 5,75 = 4,466 Ω
Req = R1 + 4,466 = 6 + 4,466 = 10,47 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 5/10,47 = 0,4777 A

Відповідь

IR1 = 0,4777 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 26,5 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 + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/20 + (VA + 3)/20 = 2,5
VA = (2,5 − 3/20)/(1/20 + 1/20) = 23,5 V
VB = 23,5 + 3 = 26,5 V

Відповідь

VB = 26,5 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 1,716 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
(13,5 − 15)/25 + 13,5/15 = (VB − 13,5)/10
0,84 = (VB − 13,5)/10 → VB = 21,9 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 = (21,9 − 13,5)/10 + 21,9/25 = 1,716 A

Відповідь

Is = 1,716 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 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​ = 8 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​10 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 24
18·I1 − 10·I2 = 24

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 + 10(I2 − I1) = (−15)
−10·I1 + 18·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (18)(18) − (−10)(−10) = 224
I1 = Δ1/Δ = 282/224 = 1,259 A
I2 = Δ2/Δ = −30/224 = −0,1339 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,259 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 3,033 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR4​2 ΩAR5​10 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 + 2(I1 − I2) = 30
10·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
8·I2 + 2(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 20·I2 − 10·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
2·I3 + 10(I3 − I2) = (−5)
−10·I2 + 12·I3 = −5

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1352
I1 = Δ1/Δ = 4100/1352 = 3,033 A
I2 = Δ2/Δ = 220/1352 = 0,1627 A
I3 = Δ3/Δ = −380/1352 = −0,2811 A

Відповідь

I1 = 3,033 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: VR2 = 12,71 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 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 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 = 8+12 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
VA = 12·5,714/(4+5,714) = 7,059 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,059·12/20 = 4,235 V
VR2′ = VA − 0 = 7,059 − 0 = 7,059 V
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​8 ΩAR4​12 ΩBIs​4 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 10,67 = 5,647 Ω
VB = Is·Req = 4·5,647 = 22,59 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 22,59·2,667/10,67 = 5,647 V
VR2″ = VA − 0 = 5,647 − 0 = 5,647 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 7,059 + 5,647 = 12,71 V

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

8.Метод накладання

Відповідь: VR3 = 11,34 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​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​15 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) = 15 ∥ 18 = 8,182 Ω
VA = 9·8,182/(3+8,182) = 6,585 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,585·15/18 = 5,488 V
VR3′ = VA − 0 = 6,585 − 0 = 6,585 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​15 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 = 2,5 Ω, тож лівий шлях — R2+2,5 = 5,5 Ω
Req = R4 ∥ 5,5 = 4,024 Ω
VB = Is·Req = 1·4,024 = 4,024 V
VA = VB·2,5/5,5 = 1,829 V
VR3″ = VA − 0 = 1,829 − 0 = 1,829 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 ΩКЗR3​15 ΩAОБРИВB+−V2​24 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 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·5,5/20,5 = 6,439 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,439·2,5/5,5 = 2,927 V
VR3‴ = VA − 0 = 2,927 − 0 = 2,927 V

Додайте складові

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 6,585 + 1,829 + 2,927 = 11,34 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,8276 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​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​20 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 3 = 9,667 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​20 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) = 12·20/(10+20) = 8 V
IN​0,8276 ARth​9,667 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 = 8/9,667 = 0,8276 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = −3,02 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​ = 10 ΩR3​ = 15 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 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,143 + 15 = 22,14 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​25 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) = 25,71 + (−5)·7,143 = −10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10 + (−5)·15 = −85 V
Rth​ = 22,14 Ω−+Vth​85 VRL​6 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) = −85/(22,14 + 6) = −3,02 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 3,2 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₊ = 1,6 V
I = V₋/R1 = 1,6/4,7 = 0,3404 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,6 + 0,3404·4,7 = 3,2 V

Відповідь

Vout = 3,2 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −4,045 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 = 0,2/47 = 0,004255 mA
I2 = V2/R2 = 1,8/22 = 0,08182 mA
If = I1 + I2 = 0,08607 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −47·0,08607 = −4,045 V

Відповідь

Vout = −4,045 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 9,21 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 / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/50 = 0,2 A

Виразіть час

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −2·ln(0,01) = 9,21 ms

Відповідь

t = 9,21 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: C = 10,01 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

7,58 = 12·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(12/(12 − 7,58))
τ = 100/0,9988 = 100,1 ms

Ємність

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

C = τ/R = 100,1/10 = 10,01 µF

Відповідь

C = 10,01 µF

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