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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​30 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 25 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 5 VIs​2,5 AAR1​12 ΩR2​4 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 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 4 Ω
VB = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​3 ΩB0,05·VA​

Ромб — це джерело струму, кероване напругою, що подає струм 0,05·VA (в A, де VA у V) угору у вузол B. Методом вузлових потенціалів знайдіть вузлову напругу VA (відносно землі).

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ωg = 0,05 A/V
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 ΩR2​ = 20 ΩIR2​+−V1​24 VR3​2 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 2 Ω+−VR2​R3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​8 ΩAR5​4 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 30 VV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 Ω
VR2 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​10 Ω+−VR4​BIs​2,5 A

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR4 на R4 з указаною полярністю.

V1 = 30 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 Ω
VR4 = V
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 Ω+−VR2​R4​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​8 ΩAIs​2 AB−+V2​24 V

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

V1 = 10 VIs = 2 AV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
VR2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAIs​5 ABRL​4 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = 0,7 V

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

Vin = 0,7 VR1 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Vin​V1​Vout​каскад 1: інвертувальнийR1​ = 1 kΩRf1​ = 1 kΩкаскад 2: неінвертувальнийR2​ = 22 kΩRf2​ = 10 kΩ

Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Вхідна напруга Vin = 0,55 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

R1 = 1 kΩRf1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 10 kΩVin = 0,55 V
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL10 mHi(t)

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

Vs = 10 VR = 15 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 Vрозмикається при t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 2,2 kΩi2​C47 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 150 ms.

Vs = 12 VR1 = 10 kΩR2 = 2,2 kΩC = 47 µFt = 150 ms
i2 = mA

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,7317 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​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​8 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
Req = R1 + 4,235 = 3 + 4,235 = 7,235 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 10/7,235 = 1,382 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,382·3 = 5,854 V
IR2 = VA/R2 = 5,854/8 = 0,7317 A

Відповідь

IR2 = 0,7317 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 2,357 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​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​10 ΩBR6​30 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 8,462 Ω
R3 + 8,462 = 16,46 Ω
R2 ∥ 16,46 = 1,783 Ω
Req = R1 + 1,783 = 2 + 1,783 = 3,783 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 10/3,783 = 2,643 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 2,643·2 = 4,714 V
IR2 = VA/R2 = 4,714/2 = 2,357 A

Відповідь

IR2 = 2,357 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 8,75 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 + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/12 + (VA + 5)/4 = 2,5
VA = (2,5 − 5/4)/(1/12 + 1/4) = 3,75 V
VB = 3,75 + 5 = 8,75 V

Відповідь

VB = 8,75 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 11,19 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
0,665·VA − 0,5·VB = 3,75

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 = 0,05·VA
−0,55·VA + 0,8333·VB = 0

Розв’яжіть

Δ = (0,665)(0,8333) − (−0,5)(−0,55) = 0,2792
VA = Δ1/Δ = 3,125/0,2792 = 11,19 V
VB = Δ2/Δ = 2,063/0,2792 = 7,388 V

Відповідь

VA = 11,19 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,4722 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​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​2 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 + 2(I1 − I2) = 24
10·I1 − 2·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
20·I2 + 2(I2 − I1) = (−15)
−2·I1 + 22·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (10)(22) − (−2)(−2) = 216
I1 = Δ1/Δ = 498/216 = 2,306 A
I2 = Δ2/Δ = −102/216 = −0,4722 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,4722 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR2 = 6,238 V

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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​8 ΩAR5​4 ΩB+−V2​6 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 + 8(I1 − I2) = 30
11·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 8(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 14·I2 − 4·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
3·I3 + 4(I3 − I2) = (−6)
−4·I2 + 7·I3 = −6

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 454
I1 = Δ1/Δ = 2268/454 = 4,996 A
I2 = Δ2/Δ = 1416/454 = 3,119 A
I3 = Δ3/Δ = 420/454 = 0,9251 A

Відповідь

IR2 = I2 = 3,119 A
VR2 = IR2·R2 = 3,119·2 = 6,238 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: VR4 = −15,77 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​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​10 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 = 20+10 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω
VA = 30·2,727/(15+2,727) = 4,615 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,615·10/30 = 1,538 V
VR4′ = VB − 0 = 1,538 − 0 = 1,538 V
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​3 ΩAR4​10 ΩBIs​2,5 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 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 22,5 = 6,923 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·6,923 = −17,31 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −17,31·2,5/22,5 = −1,923 V
VR4″ = VB − 0 = −17,31 − 0 = −17,31 V

Додайте складові

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 1,538 + (−17,31) = −15,77 V

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

8.Метод накладання

Відповідь: VR2 = 8,507 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​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​8 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) = 8 ∥ 8 = 4 Ω
VA = 10·4/(15+4) = 2,105 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,105·5/8 = 1,316 V
VR2′ = VA − VB = 2,105 − 1,316 = 0,7895 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​8 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 = 5,217 Ω, тож лівий шлях — R2+5,217 = 8,217 Ω
Req = R4 ∥ 8,217 = 3,109 Ω
VB = Is·Req = (−2)·3,109 = −6,217 V
VA = VB·5,217/8,217 = −3,947 V
VR2″ = VA − VB = −3,947 − −6,217 = 2,27 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·8,217/13,22 = −14,92 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −14,92·5,217/8,217 = −9,474 V
VR2‴ = VA − VB = −9,474 − −14,92 = 5,447 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,7895 + 2,27 + 5,447 = 8,507 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 9 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​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​4 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 6 = 9 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 17,36 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​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​6 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 5 = 8 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 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) = 15 + (−5)·3 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−5)·5 = −25 V
Rth​ = 8 Ω−+Vth​25 VRL​4 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) = −25/(8 + 4) = −2,083 A
PL = IL²·RL = −2,083²·4 = 17,36 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 2,189 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₊ = 0,7 V
I = V₋/R1 = 0,7/4,7 = 0,1489 mA

Вихідна напруга

Струм через R₁ тече й через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,7 + 0,1489·10 = 2,189 V

Відповідь

Vout = 2,189 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,8 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.

Коефіцієнт підсилення кожного каскаду

A1 = −Rf1/R1 = −1/1 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/22 = 1,455

Каскад за каскадом

V1 = −1·0,55 = −0,55 V
Vout = 1,455·(−0,55) = −0,8 V

Відповідь

Vout = −0,8 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,5179 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 = 10 mH / 15 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,6667·(1 − e−1/0,6667) = 0,5179 A

Відповідь

i = 0,5179 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i2 = 0,2306 mA

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.

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

vC(0) = 12·2,2/(10 + 2,2) = 2,164 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 2,2·47 = 103,4 ms

Розряджання

vC(t) = 2,164·e−150/103,4 = 0,5073 V
i2 = vC/R2 = 0,5073/2,2 = 0,2306 mA

Відповідь

i2 = 0,2306 mA

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