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​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​2 ΩB

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

V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​20 Ω

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

V1 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 ΩR5 = 12 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​5 ΩB0,2·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,2·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).

V1 = 18 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 Ωg = 0,2 A/V
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
IR1 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 6 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​4 ΩAR5​30 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 30 Ω
I2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​12 ΩBIs​2 A

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

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩAIs​2 AB+−V2​12 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.

V1 = 9 VIs = 2 AV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​0,5 ABRL​12 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 12 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 36 VIs = 0,5 AR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 5 VRa​ = 10 kΩRb​ = 22 kΩ

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

Vin = 5 VRa = 10 kΩRb = 22 kΩR1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 22 kΩV2​ = −0,7 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = 0,8 VV2 = −0,7 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 ΩL100 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.

Vs = 12 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​24 VR1​ = 5 ΩR2​ = 10 Ωрозмикається при t = 0L22 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм котушки i при t = 1 ms.

Vs = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,3943 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​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 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 = 6 + 2 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Req = R1 + 5,217 = 10 + 5,217 = 15,22 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 6/15,22 = 0,3943 A

Відповідь

IR1 = 0,3943 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 5,017 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​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​12 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 8,727 Ω
R3 + 8,727 = 13,73 Ω
R2 ∥ 13,73 = 4,175 Ω
Req = R1 + 4,175 = 3 + 4,175 = 7,175 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 36/7,175 = 5,017 A

Відповідь

IR1 = 5,017 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 11,84 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/4 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/12 = 0
0,5833·VA − 0,08333·VB = 4,5

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)/12 = 1,5
−0,08333·VA + 0,2833·VB = 1,5

Розв’яжіть

Δ = (0,5833)(0,2833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1583
VA = Δ1/Δ = 1,4/0,1583 = 8,842 V
VB = Δ2/Δ = 1,25/0,1583 = 7,895 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 = 7,895·1,5 = 11,84 W

Відповідь

PIs = 11,84 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 7,2 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.

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
0,1233·VA − 0,04·VB = 0,6

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 = 0,2·VA
−0,24·VA + 0,24·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,1233)(0,24) − (−0,04)(−0,24) = 0,02
VA = Δ1/Δ = 0,144/0,02 = 7,2 V
VB = Δ2/Δ = 0,144/0,02 = 7,2 V

Відповідь

VA = 7,2 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 1,615 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​ = 10 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​8 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
10·I1 + 8(I1 − I2) = 30
18·I1 − 8·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 18·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (18)(18) − (−8)(−8) = 260
I1 = Δ1/Δ = 420/260 = 1,615 A
I2 = Δ2/Δ = −30/260 = −0,1154 A

Відповідь

IR1 = I1 = 1,615 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,4537 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​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​4 ΩAR5​30 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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 10
10·I1 − 4·I2 = 10

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
4·I2 + 4(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 38·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−24)
−30·I2 + 55·I3 = −24

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 11020
I1 = Δ1/Δ = 9020/11020 = 0,8185 A
I2 = Δ2/Δ = −5000/11020 = −0,4537 A
I3 = Δ3/Δ = −7536/11020 = −0,6838 A

Відповідь

I2 = −0,4537 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR3 = −0,9474 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​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​10 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 = 15+12 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·27/(10+27) = 7,297 Ω
VA = 6·7,297/(4+7,297) = 3,876 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,876·12/27 = 1,722 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (1,722 − 3,876)/15 = −0,1435 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​10 ΩAR4​12 ΩBIs​2 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 17,86 = 7,177 Ω
VB = Is·Req = (−2)·7,177 = −14,35 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −14,35·2,857/17,86 = −2,297 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (−14,35 − −2,297)/15 = −0,8038 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,1435) + (−0,8038) = −0,9474 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: IR2 = −0,8241 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 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 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 ∥ 28 = 3,5 Ω
VA = 9·3,5/(10+3,5) = 2,333 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,333·8/28 = 0,6667 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (2,333 − 0,6667)/20 = 0,08333 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​4 ΩAIs​2 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 = 2,857 Ω, тож лівий шлях — R2+2,857 = 22,86 Ω
Req = R4 ∥ 22,86 = 5,926 Ω
VB = Is·Req = 2·5,926 = 11,85 V
VA = VB·2,857/22,86 = 1,481 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (1,481 − 11,85)/20 = −0,5185 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​4 ΩAОБРИВB+−V2​12 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·22,86/30,86 = 8,889 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 8,889·2,857/22,86 = 1,111 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (1,111 − 8,889)/20 = −0,3889 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,08333 + (−0,5185) + (−0,3889) = −0,8241 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 22,31 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​ = 3 ΩR3​ = 20 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 20 = 22,31 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 4,28 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​ = 25 ΩR3​ = 10 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 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 10 = 16,06 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​8 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) = 8,727 + 0,5·6,061 = 11,76 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,76 + 0,5·10 = 16,76 V
Rth​ = 16,06 Ω+−Vth​16,76 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) = 16,76/(16,06 + 12) = 0,5972 A
PL = IL²·RL = 0,5972²·12 = 4,28 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 11,52 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 5·22/(10 + 22) = 3,438 V

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊, і струм через R₁ тече також через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 3,438·(1 + 4,7/2) = 11,52 V

Відповідь

Vout = 11,52 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −2,147 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 = 0,8/22 = 0,03636 mA
I2 = V2/R2 = −0,7/47 = −0,01489 mA
If = I1 + I2 = 0,02147 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −100·0,02147 = −2,147 V

Відповідь

Vout = −2,147 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,3639 A

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 / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 12/22 = 0,5455 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,5455·(1 − e−5/4,545) = 0,3639 A

Відповідь

i = 0,3639 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 3,218 A

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

До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.

i(0) = 24/5 = 4,8 A
i(∞) = 24/(5 + 10) = 1,6 A
τ = L/R = 22/15 = 1,467 ms
i(t) = 1,6 + (4,8 − 1,6)·e−t/τ

Струм у заданий момент

i(1) = 1,6 + (3,2)·e−1/1,467 = 3,218 A

Відповідь

i = 3,218 A

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