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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​4 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 4 VIs​1 AAR1​2 ΩR2​3 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 = 1 AVs = 4 VR1 = 2 ΩR2 = 3 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​30 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

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

V1 = 18 VIs = 0,5 AV2 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 5 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩIR2​+−V1​10 VR3​4 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​25 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 Ω
I3 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​4 A

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​?

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

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAIs​3 ABRL​2 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 2 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩRL = 2 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,8 VR3​ = 47 kΩR4​ = 22 kΩ

Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 0,8 VV2 = 1,8 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = 0,2 VR = 2,2 kΩ

Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 0,2 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.

Vin = 0,2 VR = 2,2 kΩC = 4,7 µFVsat = ±12 V
t = ms
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.

Vs = 10 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​5 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 40 ms.

Vs = 5 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 20 Vt = 40 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 1,235 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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​3 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 = 6 + 15 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 3·21/(3+21) = 2,625 Ω
Req = R1 + 2,625 = 8 + 2,625 = 10,63 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/10,63 = 1,412 A

Струм через R₂

Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,412·8 = 3,706 V
IR2 = VA/R2 = 3,706/3 = 1,235 A

Відповідь

IR2 = 1,235 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,2437 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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBR6​4 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 6,234 Ω
Req = R1 + 6,234 = 4 + 6,234 = 10,23 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 6/10,23 = 0,5863 A

Струм через R₂

Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,5863·4 = 3,655 V
IR2 = VA/R2 = 3,655/15 = 0,2437 A

Відповідь

IR2 = 0,2437 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 3,6 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 + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/2 + (VA + 4)/3 = 1
VA = (1 − 4/3)/(1/2 + 1/3) = −0,4 V
VB = −0,4 + 4 = 3,6 V

Відповідь

VB = 3,6 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 8,603 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​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​30 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 18 V, V2 = 30 V). Невідомі: VA, VB.

ЗСК у вузлі A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 18)/10 + (VA − VB)/25 = 0
0,1733·VA − 0,04·VB = 1,8

ЗСК у вузлі B

Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/5 + (VB − VA)/25 + (VB − 30)/20 = 0,5
−0,04·VA + 0,29·VB = 2

Розв’яжіть

Δ = (0,1733)(0,29) − (−0,04)(−0,04) = 0,04867
VA = Δ1/Δ = 0,602/0,04867 = 12,37 V
VB = Δ2/Δ = 0,4187/0,04867 = 8,603 V

Відповідь

VB = 8,603 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,3761 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​ = 3 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​4 ΩA+−V2​12 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
3·I1 + 4(I1 − I2) = 10
7·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 19·I2 = −12

Розв’яжіть

Δ = (7)(19) − (−4)(−4) = 117
I1 = Δ1/Δ = 142/117 = 1,214 A
I2 = Δ2/Δ = −44/117 = −0,3761 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,3761 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −1,846 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​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​25 ΩB+−V2​36 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 10
8·I1 − 5·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 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 34·I2 − 25·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
12·I3 + 25(I3 − I2) = (−36)
−25·I2 + 37·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 4139
I1 = Δ1/Δ = 1830/4139 = 0,4421 A
I2 = Δ2/Δ = −5350/4139 = −1,293 A
I3 = Δ3/Δ = −7642/4139 = −1,846 A

Відповідь

I3 = −1,846 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR3 = −0,48 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​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​6 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+6 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·14/(15+14) = 7,241 Ω
VA = 24·7,241/(10+7,241) = 10,08 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,08·6/14 = 4,32 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (10,08 − 4,32)/8 = 0,72 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​15 ΩAR4​6 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VB = Is·Req = 4·4,2 = 16,8 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 16,8·6/14 = 7,2 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (7,2 − 16,8)/8 = −1,2 A

Додайте складові

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,72 + (−1,2) = −0,48 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 30 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​ = 8 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​5 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) = 5 ∥ 60 = 4,615 Ω
VA = 6·4,615/(8+4,615) = 2,195 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,195·30/60 = 1,098 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​5 ΩAIs​2,5 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R3 = 3,077 Ω, тож лівий шлях — R2+3,077 = 33,08 Ω
Req = R4 ∥ 33,08 = 15,73 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·15,73 = −39,33 V
VA = VB·3,077/33,08 = −3,659 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 = 3,077 Ω
VA‴ = V2·3,077/(30 + 30 + 3,077) = 0,04878·V2

Прирівняйте VA до нуля

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 2,195 + (−3,659) + 0,04878·V2 = 0
V2 = 1,463/0,04878 = 30 V

Відповідь

V2 = 30 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 11,57 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​ = 15 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 3 = 11,57 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 3,916 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​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​30 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 = 2·30/(2+30) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 8 = 9,875 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​30 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) = 16,88 + 3·1,875 = 22,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,5 + 3·8 = 46,5 V
Rth​ = 9,875 Ω+−Vth​46,5 VRL​2 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) = 46,5/(9,875 + 2) = 3,916 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 0,4681 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 входах

Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,8·22/(47 + 22) = 0,5739 V
V₋ = V₊

ЗСК для інвертувального входу

(0,8 − 0,5739)/47 = (0,5739 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/47)·(1,8 − 0,8) = 0,4681 V

Відповідь

Vout = 0,4681 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: t = 620,4 ms

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.

Вхідний струм і швидкість наростання

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

RC = 2,2 kΩ · 4,7 µF = 10,34 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −0,2/10,34 = −0,01934 V/ms

Час до насичення

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·10,34/0,2 = 620,4 ms

Відповідь

t = 620,4 ms
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,1916 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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,303·(1 − e−1/1) = 0,1916 A

Відповідь

i = 0,1916 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 7,435 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 5 + (20 − 5)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(40) = 5 + (15)·e−40/22 = 7,435 V

Відповідь

vC = 7,435 V

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