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​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​12 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​15 Ω

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 3 VIs​2 AAR1​15 ΩR2​2 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 AVs = 3 VR1 = 15 ΩR2 = 2 Ω
VA = V
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩAR5​25 ΩBIs​1,5 A+−V2​6 V

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩIR2​+−V1​6 VR3​3 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR4​12 ΩAR5​3 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 ΩR5 = 3 Ω
I3 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​12 ΩIR4​BIs​2,5 A

За методом накладання знайдіть потужність PR4, яку споживає R4.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
PR4 = W
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 20 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​36 VR3​30 ΩIR3​AIs​4 AB+−V2​?

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

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 Ω
V2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAIs​3 ABab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩVin​R1​ = 2 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 1,2 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,8 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = 1,2 VV2 = 1,8 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL47 mHi(t)

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

Vs = 10 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​5 Vt = 0R = 2,2 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 5 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 2,5 V, рівно через 10 ms після старту. При R = 2,2 kΩ знайдіть потрібну ємність C.

Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 10 msR = 2,2 kΩ
C = µF

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 3,833 Ω

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​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 2·22/(2+22) = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 2 + 1,833 = 3,833 Ω

Відповідь

Req = 3,833 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,496 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​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 ΩBR6​15 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 + 15 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 9,643 Ω
R3 + 9,643 = 14,64 Ω
R2 ∥ 14,64 = 6,595 Ω
Req = R1 + 6,595 = 20 + 6,595 = 26,6 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 24/26,6 = 0,9024 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 0,9024·20 = 5,952 V
IR2 = VA/R2 = 5,952/12 = 0,496 A

Відповідь

IR2 = 0,496 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 0,8824 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 + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/15 + (VA + 3)/2 = 2
VA = (2 − 3/2)/(1/15 + 1/2) = 0,8824 V
VB = 0,8824 + 3 = 3,882 V

Відповідь

VA = 0,8824 V
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR2 = 0,1686 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​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩAR5​25 ΩBIs​1,5 A+−V2​6 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 9 V, V2 = 6 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 − 9)/25 + (VA − VB)/25 = 0
0,1133·VA − 0,04·VB = 0,36

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/25 + (VB − VA)/25 + (VB − 6)/6 = (−1,5)
−0,04·VA + 0,2467·VB = −0,5

Розв’яжіть

Δ = (0,1133)(0,2467) − (−0,04)(−0,04) = 0,02636
VA = Δ1/Δ = 0,0688/0,02636 = 2,61 V
VB = Δ2/Δ = −0,04227/0,02636 = −1,604 V

Відповідь

IR2 = (VA − VB)/R2 = (2,61 − −1,604)/25 = 0,1686 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −3,25 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​ = 2 Ω+−V1​6 VR3​3 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
6·I1 + 3(I1 − I2) = 6
9·I1 − 3·I2 = 6

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
2·I2 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 5·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (9)(5) − (−3)(−3) = 36
I1 = Δ1/Δ = −15/36 = −0,4167 A
I2 = Δ2/Δ = −117/36 = −3,25 A

Відповідь

IR2 = I2 = −3,25 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I3 = −4,725 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​ = 15 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR4​12 ΩAR5​3 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 36
27·I1 − 12·I2 = 36

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
5·I2 + 12(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 20·I2 − 3·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
2·I3 + 3(I3 − I2) = (−24)
−3·I2 + 5·I3 = −24

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1737
I1 = Δ1/Δ = 2412/1737 = 1,389 A
I2 = Δ2/Δ = 216/1737 = 0,1244 A
I3 = Δ3/Δ = −8208/1737 = −4,725 A

Відповідь

I3 = −4,725 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: PR4 = 4,908 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 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 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·17/(5+17) = 3,864 Ω
VA = 6·3,864/(2+3,864) = 3,953 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,953·12/17 = 2,791 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,791 − 0)/12 = 0,2326 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​5 ΩAR4​12 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 6,429 = 4,186 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·4,186 = −10,47 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −10,47·1,429/6,429 = −2,326 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−10,47 − 0)/12 = −0,8721 A

Додайте внески струму

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,2326 + (−0,8721) = −0,6395 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 = (−0,6395)²·12 = 4,908 W

Відповідь

PR4 = 4,908 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 9,776 W, а це неправильно.

8.Метод накладання

Відповідь: V2 = 17,4 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​ = 20 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​36 VR3​30 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) = 30 ∥ 17 = 10,85 Ω
VA = 36·10,85/(20+10,85) = 12,66 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 12,66·12/17 = 8,938 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​30 ΩAIs​4 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 = 12 Ω, тож лівий шлях — R2+12 = 17 Ω
Req = R4 ∥ 17 = 7,034 Ω
VB = −Is·Req = −4·7,034 = −28,14 V
VA = VB·12/17 = −19,86 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 = 12 Ω
VA‴ = V2·12/(12 + 5 + 12) = 0,4138·V2

Прирівняйте VA до нуля

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 12,66 + (−19,86) + 0,4138·V2 = 0
V2 = 7,2/0,4138 = 17,4 V

Відповідь

V2 = 17,4 V
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,375 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​ = 4 ΩR3​ = 10 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 10 = 12 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​4 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) = 9·4/(4+4) = 4,5 V
IN​0,375 ARth​12 Ωab

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

IN = Vth/Rth = 4,5/12 = 0,375 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 3,667 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​ = 30 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 30 = 31,76 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​15 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) = 21,18 + 3·1,765 = 26,47 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 26,47 + 3·30 = 116,5 V
IN​3,667 ARth​31,76 Ωab

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

IN = Vth/Rth = 116,5/31,76 = 3,667 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 5,957 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

|Av| = Rf/R1 = 4,7/2 = 2,35

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/2,35 = 5,957 V

Відповідь

Vin,max = 5,957 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −1,282 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 = 1,2/1 = 1,2 mA
I2 = V2/R2 = 1,8/22 = 0,08182 mA
If = I1 + I2 = 1,282 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −1·1,282 = −1,282 V

Відповідь

Vout = −1,282 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,5315 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 = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,6667·(1 − e−5/3,133) = 0,5315 A

Відповідь

i = 0,5315 A
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: C = 6,558 µF

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.

Потрібна стала часу

2,5 = 5·(1 − e−10/τ) → τ = 10/ln(5/(5 − 2,5))
τ = 10/0,6931 = 14,43 ms

Ємність

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

C = τ/R = 14,43/2,2 = 6,558 µF

Відповідь

C = 6,558 µF

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