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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Знайдіть струм IR2 через R2.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​30 ΩBR6​8 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 ΩR5 = 20 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​2 ΩBIs​4 A

Методом вузлових потенціалів знайдіть потужність PIs, яку віддає джерело струму Is.

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
PIs = W
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​10 V

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

V1 = 15 VIs = 0,5 AV2 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 ΩR5 = 2 Ω
IR2 = A
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩIR2​+−V1​30 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR4​25 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 12 Ω
I2 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩIR2​AR4​2 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
8.Метод накладанняСкладна
лінійне колоV1​V2​Is​IRL​

Лінійне резистивне коло містить три незалежні джерела: V1, V2 і Is. Струм I через навантаження виміряли тричі. Коли всі джерела мають звичайні значення, I = 17 mA. Коли V1 подвоєне, а два інші без змін, I = 19 mA. Коли напрямок Is змінено на протилежний, а два інші без змін, I = 4 mA. Знайдіть струм навантаження I, коли V2 вимкнене, а V1 і Is мають звичайні значення.

звичайні значення: I = 17 mA2·V1: I = 19 mA−Is: I = 4 mA
I = mA
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩARL​6 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 6 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAIs​1,5 ABRL​15 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 15 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 2 VRa​ = 10 kΩRb​ = 47 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

Vin = 2 VRa = 10 kΩRb = 47 kΩR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
12.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = −1,7 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0,7 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = −1,7 VV2 = 0,7 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
13.Перехідні процеси RC і RLСередня
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 6,8 kΩC220 µF+−vC​

Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 750 ms.

Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µFt = 750 ms
vC = V
14.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​6 Vt = 0R = 3,3 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 5 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 5,7 V? Знайдіть t.

Vs = 6 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 5 V
t = ms

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: IR2 = 0,5902 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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 10·32/(10+32) = 7,619 Ω
Req = R1 + 7,619 = 4 + 7,619 = 11,62 Ω

Струм джерела

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

IR1 = V1/Req = 9/11,62 = 0,7746 A

Струм через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,7746·4 = 5,902 V
IR2 = VA/R2 = 5,902/10 = 0,5902 A

Відповідь

IR2 = 0,5902 A
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 23,94 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​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​30 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 14,48 Ω
R3 + 14,48 = 18,48 Ω
R2 ∥ 18,48 = 3,935 Ω
Req = R1 + 3,935 = 20 + 3,935 = 23,94 Ω

Відповідь

Req = 23,94 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: PIs = 44,8 W

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 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/4 + (VA − 30)/3 + (VA − VB)/2 = 0
1,083·VA − 0,5·VB = 10

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)/2 = 4
−0,5·VA + VB = 4

Розв’яжіть

Δ = (1,083)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,8333
VA = Δ1/Δ = 12/0,8333 = 14,4 V
VB = Δ2/Δ = 9,333/0,8333 = 11,2 V

Потужність, яку віддає джерело струму

Джерело подає Iₛ угору у вузол B, від землі (0 V) до VB. Джерело, струм якого виходить з його затискача +, віддає потужність P = V·I.

PIs = VB·Is = 11,2·4 = 44,8 W

Відповідь

PIs = 44,8 W
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR2 = 0,7025 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​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​2 ΩBIs​0,5 A+−V2​10 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 15 V, V2 = 10 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/10 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0,7·VA − 0,1·VB = 7,5

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/2 + (VB − VA)/10 + (VB − 10)/6 = 0,5
−0,1·VA + 0,7667·VB = 2,167

Розв’яжіть

Δ = (0,7)(0,7667) − (−0,1)(−0,1) = 0,5267
VA = Δ1/Δ = 5,967/0,5267 = 11,33 V
VB = Δ2/Δ = 2,267/0,5267 = 4,304 V

Відповідь

IR2 = (VA − VB)/R2 = (11,33 − 4,304)/10 = 0,7025 A
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,5161 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​ = 12 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩA+−V2​18 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
12·I1 + 10(I1 − I2) = 30
22·I1 − 10·I2 = 30

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 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 13·I2 = −18

Розв’яжіть

Δ = (22)(13) − (−10)(−10) = 186
I1 = Δ1/Δ = 210/186 = 1,129 A
I2 = Δ2/Δ = −96/186 = −0,5161 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,5161 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: I2 = −0,5111 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​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR4​25 ΩAR5​12 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
25·I1 + 25(I1 − I2) = 9
50·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 25(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 43·I2 − 12·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
6·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 18·I3 = −24

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 20250
I1 = Δ1/Δ = −1530/20250 = −0,07556 A
I2 = Δ2/Δ = −10350/20250 = −0,5111 A
I3 = Δ3/Δ = −33900/20250 = −1,674 A

Відповідь

I2 = −0,5111 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: IR2 = 1,449 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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​2 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 = 20+2 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·22/(12+22) = 7,765 Ω
VA = 30·7,765/(6+7,765) = 16,92 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 16,92·2/22 = 1,538 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (16,92 − 0)/12 = 1,41 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​12 ΩAR4​2 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 24 = 1,846 Ω
VB = Is·Req = 1,5·1,846 = 2,769 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 2,769·4/24 = 0,4615 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (0,4615 − 0)/12 = 0,03846 A

Додайте складові

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 1,41 + 0,03846 = 1,449 A

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

8.Метод накладання

Відповідь: I = 8,5 mA

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.

Запишіть вимірювання через внески

Кожен внесок пропорційний своєму джерелу.

I₁ + I₂ + I₃ = 17
2·I₁ + I₂ + I₃ = 19
I₁ + I₂ − I₃ = 4

Знайдіть внески

I₁ = 19 − 17 = 2 mA
I₃ = (17 − 4)/2 = 6,5 mA
I₂ = 17 − 2 − 6,5 = 8,5 mA

Вимкніть V₂

I = I₁ + I₃ = 2 + 6,5 = 8,5 mA

Відповідь

I = 8,5 mA
9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,5079 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​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​8 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 20 = 23,08 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​8 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) = 24·8/(5+8) = 14,77 V
Rth​ = 23,08 Ω+−Vth​14,77 VRL​6 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) = 14,77/(23,08 + 6) = 0,5079 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 5,994 W

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​ = 15 ΩКЗR2​3 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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 15 = 17,31 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 5,538 + (−1,5)·2,308 = 2,077 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,077 + (−1,5)·15 = −20,42 V
Rth​ = 17,31 Ω−+Vth​20,42 VRL​15 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) = −20,42/(17,31 + 15) = −0,6321 A
PL = IL²·RL = −0,6321²·15 = 5,994 W
11.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 3,298 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2·47/(10 + 47) = 1,649 V

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊, і струм через R₁ тече також через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1,649·(1 + 2/2) = 3,298 V

Відповідь

Vout = 3,298 V
12.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 2,106 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 = −1,7/10 = −0,17 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/4,7 = 0,1489 mA
If = I1 + I2 = −0,02106 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −100·(−0,02106) = 2,106 V

Відповідь

Vout = 2,106 V
13.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vC = 4,179 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.

Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора

Закоротіть джерело, щоб знайти Rth; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·6,8/(4,7 + 6,8) = 2,779 kΩ
vC(∞) = 10·6,8/(4,7 + 6,8) = 5,913 V

Стала часу

τ = Rth·C = 2,779·220 = 611,4 ms

Крива заряджання

vC(t) = 5,913·(1 − e−750/611,4) = 4,179 V

Відповідь

vC = 4,179 V
14.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 874,1 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) = 5 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 220 µF = 726 ms
vC(t) = 6 + (5 − 6)·e−t/τ

Виразіть час

5,7 = 6 + (−1)·e−t/τ → e−t/τ = (5,7 − 6)/(5 − 6) = 0,3
t = τ·ln((5 − 6)/(5,7 − 6)) = 726·ln(3,333) = 874,1 ms

Відповідь

t = 874,1 ms

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