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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​25 ΩBR6​10 Ω

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

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 ΩR6 = 10 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBIs​?

Джерело струму регулюють, доки вузлова напруга в A не стане VA = 10 V. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм джерела Is (напрямок як на схемі).

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩVA = 10 V
Is = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​6 ΩIR3​A+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
IR3 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​2 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
I2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 A

За методом накладання знайдіть потужність PR1, яку споживає R1.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
PR1 = W
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​20 Ω−+VR3​AIs​3 AB−+V2​18 V

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

V1 = 15 VIs = 3 AV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
VR3 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab

Знайдіть опір Тевенена Rth з боку затискачів a–b.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAIs​6 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 24 VIs = 6 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 0,1 VR1​ = 47 kΩV2​ = 2,5 VR3​ = 47 kΩR4​ = 100 kΩ

Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть напругу V− на інвертувальному вході.

V1 = 0,1 VV2 = 2,5 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 100 kΩ
V− = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −0,4 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,4 VR2​ = 4,7 kΩIf​

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм If через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.

V1 = −0,4 VV2 = 1,4 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 ΩL220 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 95% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 15 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 22,2 V? Знайдіть t.

Vs = 24 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 15 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,7742 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​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​20 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 + 20 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 20·24/(20+24) = 10,91 Ω
Req = R1 + 10,91 = 6 + 10,91 = 16,91 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 24/16,91 = 1,419 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,419·6 = 15,48 V
IR2 = VA/R2 = 15,48/20 = 0,7742 A

Відповідь

IR2 = 0,7742 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,8198 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​ = 30 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​25 ΩBR6​10 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 = 5 + 10 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 9,375 Ω
R3 + 9,375 = 19,38 Ω
R2 ∥ 19,38 = 6,596 Ω
Req = R1 + 6,596 = 30 + 6,596 = 36,6 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 30/36,6 = 0,8198 A

Відповідь

IR1 = 0,8198 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 11,03 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​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 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/15 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,3·VA − 0,1667·VB = 1,6

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/2 + (VB − VA)/6 = 5
−0,1667·VA + 0,6667·VB = 5

Розв’яжіть

Δ = (0,3)(0,6667) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1722
VA = Δ1/Δ = 1,9/0,1722 = 11,03 V
VB = Δ2/Δ = 1,767/0,1722 = 10,26 V

Відповідь

VA = 11,03 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Is = 3,567 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
(10 − 6)/12 + 10/8 = (VB − 10)/25
1,583 = (VB − 10)/25 → VB = 49,58 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 = (49,58 − 10)/25 + 49,58/25 = 3,567 A

Відповідь

Is = 3,567 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = 2,667 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​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​6 ΩA+−V2​30 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 + 6(I1 − I2) = 10
9·I1 − 6·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
3·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 9·I2 = −30

Розв’яжіть

Δ = (9)(9) − (−6)(−6) = 45
I1 = Δ1/Δ = −90/45 = −2 A
I2 = Δ2/Δ = −210/45 = −4,667 A

Відповідь

IR3 = I1 − I2 = 2,667 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = 0,187 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 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​2 ΩB+−V2​15 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 + 10(I1 − I2) = 12
18·I1 − 10·I2 = 12

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
20·I2 + 10(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 32·I2 − 2·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
15·I3 + 2(I3 − I2) = (−15)
−2·I2 + 17·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 8020
I1 = Δ1/Δ = 6180/8020 = 0,7706 A
I2 = Δ2/Δ = 1500/8020 = 0,187 A
I3 = Δ3/Δ = −6900/8020 = −0,8603 A

Відповідь

I2 = 0,187 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: PR1 = 6,359 W

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​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​4 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 = 10+4 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
VA = 6·1,75/(4+1,75) = 1,826 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,826·4/14 = 0,5217 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 1,826)/4 = 1,043 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​2 ΩAR4​4 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. Стрілка Iₛ спрямована вниз, від його вузла, тож Iₛ відбирає струм із цього вузла: його доданок входить зі знаком мінус.

R1 ∥ R2 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 11,33 = 2,957 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·2,957 = −7,391 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −7,391·1,333/11,33 = −0,8696 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −0,8696)/4 = 0,2174 A

Додайте внески струму

IR1 = IR1′ + IR1″ = 1,043 + 0,2174 = 1,261 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR1 = IR1²·R1 = 1,261²·4 = 6,359 W

Відповідь

PR1 = 6,359 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 4,544 W, а це неправильно.

8.Метод накладання

Відповідь: VR3 = −4,857 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​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​20 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) = 20 ∥ 23 = 10,7 Ω
VA = 15·10,7/(12+10,7) = 7,07 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,07·3/23 = 0,9221 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 7,07 = −7,07 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​20 ΩAIs​3 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 = 7,5 Ω, тож лівий шлях — R2+7,5 = 27,5 Ω
Req = R4 ∥ 27,5 = 2,705 Ω
VB = Is·Req = 3·2,705 = 8,115 V
VA = VB·7,5/27,5 = 2,213 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 2,213 = −2,213 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 ΩКЗR3​20 ΩAОБРИВB−+V2​18 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·27,5/30,5 = −16,23 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −16,23·7,5/27,5 = −4,426 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − −4,426 = 4,426 V

Додайте складові

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−7,07) + (−2,213) + 4,426 = −4,857 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Rth = 7 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​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​5 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 Ω
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = −190,3 V

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​ = 30 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 30 = 33,43 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAIs​6 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) = 10,29 + (−6)·3,429 = −10,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10,29 + (−6)·30 = −190,3 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: V− = 1,701 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) = 2,5·100/(47 + 100) = 1,701 V
V₋ = V₊

Відповідь

V− = 1,701 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: If = −0,1021 mA

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 = −0,4/1 = −0,4 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/4,7 = 0,2979 mA
If = I1 + I2 = −0,1021 mA

Відповідь

If = −0,1021 mA
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 65,91 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A

Виразіть час

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −22·ln(0,05) = 65,91 ms

Відповідь

t = 65,91 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 1609 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 24 + (15 − 24)·e−t/τ

Виразіть час

22,2 = 24 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (22,2 − 24)/(15 − 24) = 0,2
t = τ·ln((15 − 24)/(22,2 − 24)) = 1000·ln(5) = 1609 ms

Відповідь

t = 1609 ms

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