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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBR6​2 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​5 A

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

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

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

V1 = 24 VIs = 4 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩIR2​+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 8 Ω+−VR1​R2​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR4​2 ΩAR5​3 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR1 на R1 з указаною полярністю.

V1 = 36 VV2 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 ΩR5 = 3 Ω
VR1 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​3 Ω+−VR4​BIs​1,5 A

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

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 Ω
VR4 = V
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​30 Ω−+VR3​AIs​0,5 AB+−V2​12 V

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

V1 = 18 VIs = 0,5 AV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 Ω
VR3 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABab

Знайдіть напругу Тевенена Vth з боку затискачів a–b.

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​

ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.

R1 = 4,7 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = −1,4 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1,2 VR3​ = 1 kΩR4​ = 4,7 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = −1,4 VV2 = 1,2 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 1 kΩR4 = 4,7 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL68 mHi(t)

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 75% кінцевого значення? Знайдіть t.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 68 mH
t = ms
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 VR1​ = 22 ΩR2​ = 5 Ωзамикається при t = 0L68 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 5 ms.

Vs = 6 VR1 = 22 ΩR2 = 5 ΩL = 68 mHt = 5 ms
i = A

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,4286 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 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 = 2 + 8 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 12 + 6,667 = 18,67 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 24/18,67 = 1,286 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,286·12 = 8,571 V
IR2 = VA/R2 = 8,571/20 = 0,4286 A

Відповідь

IR2 = 0,4286 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 10,71 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​ = 8 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBR6​2 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 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 2,7 Ω
R3 + 2,7 = 27,7 Ω
R2 ∥ 27,7 = 2,707 Ω
Req = R1 + 2,707 = 8 + 2,707 = 10,71 Ω

Відповідь

Req = 10,71 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR1 = 1,093 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​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 6 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/12 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0,6333·VA − 0,5·VB = 0,3

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/8 + (VB − VA)/2 = (−5)
−0,5·VA + 0,625·VB = −5

Розв’яжіть

Δ = (0,6333)(0,625) − (−0,5)(−0,5) = 0,1458
VA = Δ1/Δ = −2,313/0,1458 = −15,86 V
VB = Δ2/Δ = −3,017/0,1458 = −20,69 V

Відповідь

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − −15,86)/20 = 1,093 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 10,96 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​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 V, V2 = 24 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/2 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,9·VA − 0,06667·VB = 8

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)/15 + (VB − 24)/4 = 4
−0,06667·VA + 0,3833·VB = 10

Розв’яжіть

Δ = (0,9)(0,3833) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,3406
VA = Δ1/Δ = 3,733/0,3406 = 10,96 V
VB = Δ2/Δ = 9,533/0,3406 = 27,99 V

Відповідь

VA = 10,96 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,1957 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​ = 5 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​9 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
5·I1 + 12(I1 − I2) = 9
17·I1 − 12·I2 = 9

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
10·I2 + 12(I2 − I1) = (−9)
−12·I1 + 22·I2 = −9

Розв’яжіть

Δ = (17)(22) − (−12)(−12) = 230
I1 = Δ1/Δ = 90/230 = 0,3913 A
I2 = Δ2/Δ = −45/230 = −0,1957 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,1957 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR1 = 29,13 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​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR4​2 ΩAR5​3 ΩB+−V2​5 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 + 2(I1 − I2) = 36
10·I1 − 2·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
25·I2 + 2(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 30·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
10·I3 + 3(I3 − I2) = (−5)
−3·I2 + 13·I3 = −5

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 3758
I1 = Δ1/Δ = 13686/3758 = 3,642 A
I2 = Δ2/Δ = 786/3758 = 0,2092 A
I3 = Δ3/Δ = −1264/3758 = −0,3363 A

Відповідь

IR1 = I1 = 3,642 A
VR1 = IR1·R1 = 3,642·8 = 29,13 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: VR4 = −0,6923 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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​3 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 = 6+3 = 9 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
VA = 24·4,235/(8+4,235) = 8,308 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,308·3/9 = 2,769 V
VR4′ = VB − 0 = 2,769 − 0 = 2,769 V
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​8 ΩAR4​3 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 10 = 2,308 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·2,308 = −3,462 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −3,462·4/10 = −1,385 V
VR4″ = VB − 0 = −3,462 − 0 = −3,462 V

Додайте складові

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2,769 + (−3,462) = −0,6923 V

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

8.Метод накладання

Відповідь: VR3 = −15,57 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​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​18 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 ∥ 13 = 9,07 Ω
VA = 18·9,07/(5+9,07) = 11,6 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,6·8/13 = 7,14 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 11,6 = −11,6 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​30 ΩAIs​0,5 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 = 4,286 Ω, тож лівий шлях — R2+4,286 = 9,286 Ω
Req = R4 ∥ 9,286 = 4,298 Ω
VB = Is·Req = 0,5·4,298 = 2,149 V
VA = VB·4,286/9,286 = 0,9917 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 0,9917 = −0,9917 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 8 ΩКЗR3​30 ΩAОБРИВB+−V2​12 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 = 5·30/(5+30) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·9,286/17,29 = 6,446 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,446·4,286/9,286 = 2,975 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 2,975 = −2,975 V

Додайте складові

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−11,6) + (−0,9917) + (−2,975) = −15,57 V

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

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 0,6 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​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​6 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 8 = 10 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​6 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) = 9·6/(3+6) = 6 V
IN​0,6 ARth​10 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 = 6/10 = 0,6 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: Vth = 37,86 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​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​25 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 = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 8 = 11,45 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​25 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) = 20,69 + 1,5·3,448 = 25,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25,86 + 1,5·8 = 37,86 V
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vin,max = 0,5387 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/4,7 = 22,28

Найбільший вхідний сигнал без обмеження

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/22,28 = 0,5387 V

Відповідь

Vin,max = 0,5387 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 2,113 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 вході +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,2·4,7/(1 + 4,7) = 0,9895 V

Накладіть дію двох входів

При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.

Vout = −(4,7/10)·(−1,4) + (1 + 4,7/10)·0,9895 = 0,658 + 1,455 = 2,113 V

Відповідь

Vout = 2,113 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 2,857 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 = 68 mH / 33 Ω = 2,061 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Виразіть час

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −2,061·ln(0,25) = 2,857 ms

Відповідь

t = 2,857 ms
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,2627 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.

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.

i(0) = 6/(22 + 5) = 0,2222 A
i(∞) = 6/22 = 0,2727 A
τ = L/R = 68/22 = 3,091 ms
i(t) = 0,2727 + (0,2222 − 0,2727)·e−t/τ

Струм у заданий момент

i(5) = 0,2727 + (−0,05051)·e−5/3,091 = 0,2627 A

Відповідь

i = 0,2627 A

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