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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​3 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​2 ΩBR6​12 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 ΩR5 = 3 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​4 A

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

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​8 ΩIR4​B0,25·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,25·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ωg = 0,25 A/V
IR4 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 2 ΩIR1​R2​ = 2 Ω+−V1​6 VR3​12 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​10 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 6 VV2 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 ΩR5 = 10 Ω
I2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBIs​?

Знайдіть значення джерела струму Is (напрямок як на схемі), за якого струм IR3 через R3 дорівнює нулю.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩIR3​AIs​1,5 AB−+V2​30 V

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​3 ABRL​3 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 3 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −1 V

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

Vin = −1 VR1 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1,9 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1,4 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = 1,9 VV2 = 1,4 VR1 = 2 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​5 Vt = 0R = 15 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 10 ms.

Vs = 5 VR = 15 ΩL = 68 mHt = 10 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​24 Vt = 0R = 1 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 2 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 19,6 V? Знайдіть t.

Vs = 24 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 2 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 1,206 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​3 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 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 3·13/(3+13) = 2,438 Ω
Req = R1 + 2,438 = 10 + 2,438 = 12,44 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/12,44 = 1,206 A

Відповідь

IR1 = 1,206 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 11,79 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​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​2 ΩBR6​12 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 + 12 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 1,765 Ω
R3 + 1,765 = 16,76 Ω
R2 ∥ 16,76 = 1,787 Ω
Req = R1 + 1,787 = 10 + 1,787 = 11,79 Ω

Відповідь

Req = 11,79 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 12,73 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​4 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 10 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/12 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 1,667

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/10 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,225·VB = 4

Розв’яжіть

Δ = (0,375)(0,225) − (−0,125)(−0,125) = 0,06875
VA = Δ1/Δ = 0,875/0,06875 = 12,73 V
VB = Δ2/Δ = 1,708/0,06875 = 24,85 V

Відповідь

VA = 12,73 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR4 = 0,7714 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
0,3667·VA − 0,2·VB = 0,4

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 = 0,25·VA
−0,45·VA + 0,325·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,3667)(0,325) − (−0,2)(−0,45) = 0,02917
VA = Δ1/Δ = 0,13/0,02917 = 4,457 V
VB = Δ2/Δ = 0,18/0,02917 = 6,171 V

Струм через R₄

IR4 = VB/R4 = 6,171/8 = 0,7714 A

Відповідь

IR4 = 0,7714 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = −2,538 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​ = 2 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​6 VR3​12 ΩA+−V2​18 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
2·I1 + 12(I1 − I2) = 6
14·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 12(I2 − I1) = (−18)
−12·I1 + 14·I2 = −18

Розв’яжіть

Δ = (14)(14) − (−12)(−12) = 52
I1 = Δ1/Δ = −132/52 = −2,538 A
I2 = Δ2/Δ = −180/52 = −3,462 A

Відповідь

IR1 = I1 = −2,538 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,1453 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​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​10 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
15·I1 + 20(I1 − I2) = 6
35·I1 − 20·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
30·I2 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 60·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
20·I3 + 10(I3 − I2) = (−30)
−10·I2 + 30·I3 = −30

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 47500
I1 = Δ1/Δ = 4200/47500 = 0,08842 A
I2 = Δ2/Δ = −6900/47500 = −0,1453 A
I3 = Δ3/Δ = −49800/47500 = −1,048 A

Відповідь

I2 = −0,1453 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 1,071 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​15 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 = 12+12 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·24/(15+24) = 9,231 Ω
VA = 18·9,231/(6+9,231) = 10,91 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,91·12/24 = 5,455 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (10,91 − 5,455)/12 = 0,4545 A

Випадок 2 · діє лише Is

V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ ∥ R₂ з’єднує A із землею. Iₛ розгалужується у вузлі B між R₄ і шляхом R₃ + R₁∥R₂; частина через R₃ тече від B до A, проти стрілки.

R1 ∥ R2 = 4,286 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·12/28,29 = −0,4242·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 0,4545 − 0,4242·Is = 0
Is = 0,4545/0,4242 = 1,071 A

Відповідь

Is = 1,071 A
8.Метод накладання

Відповідь: IR3 = 0,09609 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 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​12 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) = 12 ∥ 13 = 6,24 Ω
VA = 9·6,24/(5+6,24) = 4,996 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,996·8/13 = 3,075 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,996 − 0)/12 = 0,4164 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​12 ΩAIs​1,5 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 = 3,529 Ω, тож лівий шлях — R2+3,529 = 8,529 Ω
Req = R4 ∥ 8,529 = 4,128 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,128 = 6,192 V
VA = VB·3,529/8,529 = 2,562 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (2,562 − 0)/12 = 0,2135 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​12 ΩAОБРИВB−+V2​30 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·8,529/16,53 = −15,48 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −15,48·3,529/8,529 = −6,406 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−6,406 − 0)/12 = −0,5338 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,4164 + 0,2135 + (−0,5338) = 0,09609 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 9,217 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​ = 4 ΩКЗR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 4 = 9,217 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 11,42 W

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​12 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 4 = 10,67 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​3 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) = 5,333 + (−3)·6,667 = −14,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −14,67 + (−3)·4 = −26,67 V
Rth​ = 10,67 Ω−+Vth​26,67 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) = −26,67/(10,67 + 3) = −1,951 A
PL = IL²·RL = −1,951²·3 = 11,42 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −3 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 V
I = V₋/R1 = −1/1 = −1 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1 + (−1)·2 = −3 V

Відповідь

Vout = −3 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −1,014 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 = 1,9/2 = 0,95 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/22 = 0,06364 mA
If = I1 + I2 = 1,014 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −1·1,014 = −1,014 V

Відповідь

Vout = −1,014 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 0,5508 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 = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 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 = 5·e−10/4,533 = 0,5508 V

Відповідь

vL = 0,5508 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 53,11 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.

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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 33 µF = 33 ms
vC(t) = 24 + (2 − 24)·e−t/τ

Виразіть час

19,6 = 24 + (−22)·e−t/τ → e−t/τ = (19,6 − 24)/(2 − 24) = 0,2
t = τ·ln((2 − 24)/(19,6 − 24)) = 33·ln(5) = 53,11 ms

Відповідь

t = 53,11 ms

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