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​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​8 ΩB

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

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​30 ΩBR6​6 Ω

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

V1 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 30 ΩR5 = 4 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.Метод вузлових потенціалівСередня
−+Vs​ = 8 VIx​Is​1,5 AAR1​12 ΩR2​10 ΩB

Джерело напруги Vₛ між A і B має затискач + біля B, тож забезпечує VB − VA = Vₛ. Методом вузлових потенціалів із надвузлом знайдіть струм Ix через джерело напруги від A до B, як показує стрілка.

Is = 1,5 AVs = 8 VR1 = 12 ΩR2 = 10 Ω
Ix = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 6 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 10 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩAR5​20 ΩBIs​1,5 A+−V2​18 V

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

V1 = 18 VIs = 1,5 AV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 20 Ω
IR2 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 10 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​18 VR3​5 ΩIR3​A+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
IR3 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​20 ΩIR4​AR5​15 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR4 через R4 у напрямку стрілки.

V1 = 24 VV2 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 Ω
IR4 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩAIs​3 AB+−V2​36 V

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

V1 = 6 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​2 ABRL​3 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 3 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩRL = 3 Ω
IL = A
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 20.

R1 = 100 kΩAv = 20
Rf = kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,9 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = 0,2 VV2 = 1,9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 47 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R = 47 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.

Vs = 10 VR = 47 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vt = 0R = 1 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 3 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 150 ms.

Vs = 6 VR = 1 kΩC = 220 µFvC(0) = 3 Vt = 150 ms
vC = V

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 1,171 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​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​8 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 10·28/(10+28) = 7,368 Ω
Req = R1 + 7,368 = 8 + 7,368 = 15,37 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 18/15,37 = 1,171 A

Відповідь

IR1 = 1,171 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR1 = 0,2544 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​ = 6 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​30 ΩBR6​6 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 = 4 + 6 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 13,5 Ω
R2 ∥ 13,5 = 9,31 Ω
Req = R1 + 9,31 = 30 + 9,31 = 39,31 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 10/39,31 = 0,2544 A

Відповідь

IR1 = 0,2544 A
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: Ix = 1,182 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.

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 + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is

Розв’яжіть

VA/12 + (VA + 8)/10 = 1,5
VA = (1,5 − 8/10)/(1/12 + 1/10) = 3,818 V
VB = 3,818 + 8 = 11,82 V

Струм через джерело напруги

Усе, що проходить через джерело від A до B, виходить з вузла B через R₂.

Ix = VB/R2 = 11,82/10 = 1,182 A

Відповідь

Ix = 1,182 A

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

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR2 = −0,3338 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​ = 6 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩAR5​20 ΩBIs​1,5 A+−V2​18 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 18 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/8 + (VA − 18)/6 + (VA − VB)/25 = 0
0,3317·VA − 0,04·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/20 + (VB − VA)/25 + (VB − 18)/10 = 1,5
−0,04·VA + 0,19·VB = 3,3

Розв’яжіть

Δ = (0,3317)(0,19) − (−0,04)(−0,04) = 0,06142
VA = Δ1/Δ = 0,702/0,06142 = 11,43 V
VB = Δ2/Δ = 1,214/0,06142 = 19,77 V

Відповідь

IR2 = (VA − VB)/R2 = (11,43 − 19,77)/25 = −0,3338 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR3 = 1,418 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​ = 10 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​18 VR3​5 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 18
15·I1 − 5·I2 = 18

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 + 5(I2 − I1) = (−12)
−5·I1 + 20·I2 = −12

Розв’яжіть

Δ = (15)(20) − (−5)(−5) = 275
I1 = Δ1/Δ = 300/275 = 1,091 A
I2 = Δ2/Δ = −90/275 = −0,3273 A

Відповідь

IR3 = I1 − I2 = 1,418 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR4 = 1,001 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​ = 2 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​20 ΩAR5​15 ΩB+−V2​10 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
2·I1 + 20(I1 − I2) = 24
22·I1 − 20·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 + 20(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 43·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
12·I3 + 15(I3 − I2) = (−10)
−15·I2 + 27·I3 = −10

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 9792
I1 = Δ1/Δ = 19464/9792 = 1,988 A
I2 = Δ2/Δ = 9660/9792 = 0,9865 A
I3 = Δ3/Δ = 1740/9792 = 0,1777 A

Відповідь

IR4 = I1 − I2 = 1,001 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR1 = −0,4127 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​10 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 = 15+6 = 21 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·21/(10+21) = 6,774 Ω
VA = 9·6,774/(8+6,774) = 4,127 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,127·6/21 = 1,179 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (4,127 − 9)/8 = −0,6092 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​10 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 19,44 = 4,585 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,585 = 6,878 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6,878·4,444/19,44 = 1,572 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (1,572 − 0)/8 = 0,1965 A

Додайте складові

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−0,6092) + 0,1965 = −0,4127 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: IR2 = 0,5878 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​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 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 ∥ 45 = 13,85 Ω
VA = 6·13,85/(5+13,85) = 4,408 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,408·20/45 = 1,959 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (4,408 − 1,959)/25 = 0,09796 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 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 = 4 Ω, тож лівий шлях — R2+4 = 29 Ω
Req = R4 ∥ 29 = 11,84 Ω
VB = Is·Req = (−3)·11,84 = −35,51 V
VA = VB·4/29 = −4,898 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (−4,898 − −35,51)/25 = 1,224 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​20 ΩAОБРИВB+−V2​36 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·29/49 = 21,31 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 21,31·4/29 = 2,939 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (2,939 − 21,31)/25 = −0,7347 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,09796 + 1,224 + (−0,7347) = 0,5878 A

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 2,25 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​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​3 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 8 = 9,875 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 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) = 6·3/(5+3) = 2,25 V
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = −1,785 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​ = 20 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 30 = 34,62 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​2 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) = 2,077 + (−2)·4,615 = −7,154 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −7,154 + (−2)·30 = −67,15 V
Rth​ = 34,62 Ω−+Vth​67,15 VRL​3 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) = −67,15/(34,62 + 3) = −1,785 A
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 1900 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 = (20 − 1)·100 = 1900 kΩ

Відповідь

Rf = 1900 kΩ
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −3,9 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 = 0,2/4,7 = 0,04255 mA
I2 = V2/R2 = 1,9/47 = 0,04043 mA
If = I1 + I2 = 0,08298 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −47·0,08298 = −3,9 V

Відповідь

Vout = −3,9 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vL = 5,01 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.

Стала часу і кінцевий струм

Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.

τ = L/R = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0,2128 A

Напруга на котушці

У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−1/1,447 = 5,01 V

Відповідь

vL = 5,01 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 4,483 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 1 kΩ · 220 µF = 220 ms
vC(t) = 6 + (3 − 6)·e−t/τ

Напруга в заданий момент

vC(150) = 6 + (−3)·e−150/220 = 4,483 V

Відповідь

vC = 4,483 V

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