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 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 15 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 10 VIs​2,5 AAR1​3 ΩR2​5 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 VA (відносно землі).

Is = 2,5 AVs = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 5 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​12 VR3​6 ΩAR5​15 ΩBIs​5 A−+V2​18 V

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.

V1 = 12 VIs = 5 AV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 15 Ω
IR4 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩIR3​A+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
IR3 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR4​5 ΩAR5​15 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти контурний струм I1 (за годинниковою стрілкою).

V1 = 24 VV2 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 Ω
I1 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​4 ΩBIs​?

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

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
Is = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​12 VR3​15 ΩAIs​3 AB+−V2​30 V

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 12 VIs = 3 AV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
PR4 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAIs​1,5 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 6.

R1 = 4,7 kΩAv = 6
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 100 kΩV2​ = 1 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = 0,8 VV2 = 1 VR1 = 100 kΩR2 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​6 Vt = 0R = 68 ΩL150 mHi(t)

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

Vs = 6 VR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vрозмикається при t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC10 µF+−vC​

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.

Vs = 6 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 200 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,725 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​10 VR2​8 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 = 8·21/(8+21) = 5,793 Ω
Req = R1 + 5,793 = 8 + 5,793 = 13,79 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 10/13,79 = 0,725 A

Відповідь

IR1 = 0,725 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 3,192 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​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​10 ΩBR6​8 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 6,97 Ω
R3 + 6,97 = 26,97 Ω
R2 ∥ 26,97 = 2,7 Ω
Req = R1 + 2,7 = 2 + 2,7 = 4,7 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 15/4,7 = 3,192 A

Відповідь

IR1 = 3,192 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 0,9375 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 + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/3 + (VA + 10)/5 = 2,5
VA = (2,5 − 10/5)/(1/3 + 1/5) = 0,9375 V
VB = 0,9375 + 10 = 10,94 V

Відповідь

VA = 0,9375 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR4 = 1,589 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.

R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩAR5​15 ΩBIs​5 A−+V2​18 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 12 V, V2 = −18 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/6 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,6167·VA − 0,2·VB = 3

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/15 + (VB − VA)/5 + (VB − (−18))/25 = 5
−0,2·VA + 0,3067·VB = 4,28

Розв’яжіть

Δ = (0,6167)(0,3067) − (−0,2)(−0,2) = 0,1491
VA = Δ1/Δ = 1,776/0,1491 = 11,91 V
VB = Δ2/Δ = 3,239/0,1491 = 21,72 V

Відповідь

IR4 = (VB − V2)/R4 = (21,72 − −18)/25 = 1,589 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = 2,943 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​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​24 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 + 2(I1 − I2) = 12
5·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 2(I2 − I1) = (−24)
−2·I1 + 22·I2 = −24

Розв’яжіть

Δ = (5)(22) − (−2)(−2) = 106
I1 = Δ1/Δ = 216/106 = 2,038 A
I2 = Δ2/Δ = −96/106 = −0,9057 A

Відповідь

IR3 = I1 − I2 = 2,943 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I1 = 0,8246 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​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR4​5 ΩAR5​15 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
20·I1 + 5(I1 − I2) = 24
25·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 28·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−36)
−15·I2 + 30·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 14625
I1 = Δ1/Δ = 12060/14625 = 0,8246 A
I2 = Δ2/Δ = −9900/14625 = −0,6769 A
I3 = Δ3/Δ = −22500/14625 = −1,538 A

Відповідь

I1 = 0,8246 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: Is = 1 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​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 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 = 12+4 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·16/(6+16) = 4,364 Ω
VA = 12·4,364/(12+4,364) = 3,2 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,2·4/16 = 0,8 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,2 − 0,8)/12 = 0,2 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 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·4/20 = −0,2·Is

Прирівняйте суму до нуля

IR3′ + IR3″ = 0,2 − 0,2·Is = 0
Is = 0,2/0,2 = 1 A

Відповідь

Is = 1 A
8.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 10,45 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​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​15 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) = 15 ∥ 20 = 8,571 Ω
VA = 12·8,571/(30+8,571) = 2,667 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,667·12/20 = 1,6 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,6 − 0)/12 = 0,1333 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​15 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 = 10 Ω, тож лівий шлях — R2+10 = 18 Ω
Req = R4 ∥ 18 = 7,2 Ω
VB = Is·Req = 3·7,2 = 21,6 V
VA = VB·10/18 = 12 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (21,6 − 0)/12 = 1,8 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​15 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·18/30 = 18 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 18·10/18 = 10 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (18 − 30)/12 = −1 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,1333 + 1,8 + (−1) = 0,9333 A

Потужність у резисторі

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

PR4 = IR4²·R4 = 0,9333²·12 = 10,45 W

Відповідь

PR4 = 10,45 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 51,09 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 9 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​ = 8 ΩКЗR2​12 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 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 8 = 12,8 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·12/(8+12) = 9 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 1,5 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​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​15 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAIs​1,5 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) = 18 + (−1,5)·6 = 9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9 + (−1,5)·5 = 1,5 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 23,5 kΩ

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 неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (6 − 1)·4,7 = 23,5 kΩ

Відповідь

Rf = 23,5 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −2,928 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 = 0,8/100 = 0,008 mA
I2 = V2/R2 = 1/47 = 0,02128 mA
If = I1 + I2 = 0,02928 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −100·0,02928 = −2,928 V

Відповідь

Vout = −2,928 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,07909 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 = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 6/68 = 0,08824 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,08824·(1 − e−5/2,206) = 0,07909 A

Відповідь

i = 0,07909 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 0,7382 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.

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) = 6·10/(1 + 10) = 5,455 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R2·C = 10·10 = 100 ms

Розряджання

vC(t) = 5,455·e−200/100 = 0,7382 V

Відповідь

vC = 0,7382 V

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