Освойте теорему суперпозиции: пошаговый анализ цепей с практическим примером
Теорема суперпозиции — пошаговое руководство с решенным примером
Что такое теорема суперпозиции?
Теорема суперпозиции используется для решения сложных сетей с множеством источников энергии. Важная концепция для определения напряжения и тока через элементы путем расчета влияния каждого источника отдельно и объединения эффектов всех источников для получения реального напряжения и тока элемента цепи.
Теорема суперпозиции утверждает:
Иными словами, рассматриваем только один независимый источник за раз. Остальные источники убираем. Источники напряжения замыкаем (короткое замыкание), источники тока размыкаем (разрыв цепи) — для идеальных источников. Если даны внутренние сопротивления источников, учитываем их в схеме.
Теорема суперпозиции применяется только к цепям, подчиняющимся закону Ома.
- Связанный материал: Теорема Тевенена. Пошаговое руководство с примером
Когда использовать теорему суперпозиции?
Сеть должна удовлетворять требованиям:
- Компоненты должны быть линейными. Для резисторов ток пропорционален напряжению; для индуктивностей поток пропорционален току. Резистор, катушка, конденсатор — линейные элементы. Диод, транзистор — нелинейные.
- Компоненты должны быть двусторонними (билатеральными). Величина тока не зависит от полярности источников энергии.
- Суперпозицией можно найти ток через элемент, падение напряжения на резисторе, потенциал узла. НЕЛЬЗЯ найти рассеиваемую мощность.
- Связанный материал: Теорема Нортона. Пошаговое руководство с примером
Шаги применения теоремы суперпозиции
Шаг 1 Определить число независимых источников в сети.
Шаг 2 Выбрать один источник, убрать все остальные. Если есть зависимые источники — их НЕ убирают, они остаются во всех расчетах.
Если все источники идеальные — внутренние сопротивления не учитываем. Замыкаем источник напряжения, размыкаем источник тока. Если даны внутренние сопротивления — заменяем ими источники.
Шаг 3 В цепи остался только один независимый источник. Найти ответ (ток, напряжение) только от этого источника.
Шаг 4 Повторить шаги 2 и 3 для всех источников. Если 3 независимых источника — повторить 3 раза. Каждый раз получаем значение ответа.
Шаг 5 Объединить все ответы алгебраической суммой, полученных от отдельных источников. Получим итоговое значение ответа для конкретного элемента. Для других элементов — повторить процедуру.
- Связанный материал: Анализ SUPERMESH — пошагово с примером
Решенный пример теоремы суперпозиции
Пример:
Понятие работы теоремы суперпозиции на примере. Найти ток (IL) через резистор 8 Ом в заданной сети по теореме суперпозиции.

Решение:
Шаг 1 На схеме: 1 источник напряжения и 1 источник тока. Нужно повторить процедуру 2 раза.
Шаг 2 Сначала считаем, что в сети только источник 28В. Убираем источник тока размыканием клемм. Источник тока идеален — внутреннее сопротивление не подключаем.
Остается схема:

Шаг 3 Найти ток (IL1) через 8 Ом. Эффект только от источника напряжения.
Из-за размыкания источника тока через 10 Ом ток не течет. Сеть — один контур.
Применяем ВКЗ (второй закон Кирхгофа) к контуру:
28 = 6L1 + 8L1
28 = 14L1
L1 = 28/14
L1 = 2А
Шаг 4 Теперь повторяем для источника тока. Убираем источник напряжения замыканием. Остается схема:

Здесь 2 контура. I1 и I2 — токовые контуры. Найти IL2.
ВКЗ к контуру 1:
0 = 61 + 81 – 82
141 – 82 = 0
Ток контура 2 задается источником тока:
2 = 28А
Подставляем в уравнение:
141 – 8(28) = 0
1 = 16А
Ветвь 8 Ом общая для обоих контуров. Находим результирующий ток (IL2) через 8 Ом:
L2 = 1 – 2
L2 = 16 – 28
L2 = -12А
Шаг 5 Объединяем эффекты обоих источников алгебраической суммой токов. Итоговый ток через 8 Ом — IL. Направление тока критично. IL2 имеет минус — при 28А ток течет в противоположную сторону. Направление нельзя менять. При объединении делаем алгебраическую сумму.
L = L1 – L2
L = 2 + (-12)
L = -10А
Предполагали, что ток через 8 Ом в направлении стрелки на рисунке. Минус — противоположное направление. Величина тока 10А.
- Связанный материал: Анализ SUPERNODE — пошагово с примером
Эксперимент по теореме суперпозиции
Эксперимент проводится по шагам:
Цель
Определить ток через резисторы и проверить теорему суперпозиции.
Компоненты
Источник DC, резисторы, мультиметры DC, соединительные провода, макетная плата и др.
Теория
Теорема суперпозиции используется в анализе цепей для нахождения тока и напряжения на элементах. Полезна при множестве источников.
По теореме суперпозиции ответ элемента — алгебраическая сумма ответов от отдельных источников энергии.
Сначала рассчитаем ток через резисторы при всех подключенных источниках. Потом уберем источники и найдем токи для каждого отдельно. В конце сумма токов от отдельных источников должна совпасть с током при всех подключенных источниках.
Процедура
Рассмотрим линейную билатеральную схему на рисунке.

Соберем все элементы на макетной плате по схеме с проводами. Подключим амперметр к каждому резистору для измерения тока. Два источника напряжения.
Случай 1: измеряем токи через все резисторы при обоих источниках. Токи через R1, R2, R3 — I1, I2, I3.

Теперь уберем 12В источник. Замкнем клеммы A' и B' как на рисунке. Источники идеальные — внутреннее сопротивление не подключаем. Измеряем токи I'1, I'2, I'3 через R1, R2, R3.

Аналогично уберем 9В источник, оставшаяся схема на рисунке. Снова измеряем токи через все резисторы, обозначим I''1, I''2, I''3.
- Связанный материал: Теорема о передаче максимальной мощности для AC и DC цепей
Заполним таблицу наблюдений.
Таблица наблюдений
| Подключение источников | R1 | R2 | R3 |
|---|---|---|---|
| Оба источника подключены | I1 | I2 | I3 |
| Только 12В подключен | I'1 | I'2 | I'3 |
| Только 9В подключен | I''1 | I''2 | I''3 |
Расчет:
I1 = I'1 + I''1
I2 = I'2 + I''2
I3 = I'3 + I''3
Для проверки теоремы сравниваем алгебраическую сумму токов через резисторы при отдельных источниках с токами, измеренными при обоих подключенных источниках.
Если расчеты совпадают — теорема суперпозиции доказана.
Заключение
В эксперименте доказано, что ток через резистор — алгебраическая сумма токов при отдельно подключенных источниках энергии. Доказывает теорему суперпозиции.
- Связанный материал: Законы Кирхгофа (KCL и KVL) | Решенный пример
Применение теоремы суперпозиции
- Применима к AC и DC сетям.
- При множестве независимых источников легко найти ответ сети.
- Помогает рассчитать ток и напряжение на элементе, вычисляя эффект каждого источника отдельно, затем объединяя общий эффект.
Недостатки теоремы суперпозиции
- Не применяется к цепям только с зависимым источником. Нужно минимум 2 независимых источника.
- Только для сетей с линейными элементами. Не для нелинейных (диод, транзистор).
- Нельзя рассчитать мощность — мощность пропорциональна квадрату напряжения и тока, становится нелинейной.
- Неприменима, если сопротивление меняется с напряжением и током. Для всех источников сопротивление должно оставаться постоянным.
- Только для билатеральных элементов. Если ответ сети зависит от направления тока — теорема неприменима.
Связанные уроки по анализу электрических цепей:
- Теорема Теллегена — примеры и MATLAB симуляция
- Калькулятор правила Крамера — 2 и 3 уравнения для электрических цепей
- Мост Уитстоуна — схема, работа, вывод, применения
- Калькуляторы электротехники и электроники
- 5000+ формул и уравнений электротехники и электроники
Промышленные технологии
- Цепь с переключателем: практическое руководство по базовым электрическим цепям
- Настройка AC-анализа в SPICE: кривые, точки и параметры частотного сканирования
- Проверенные нетлисты SPICE и примеры схем
- Анализ отказов компонентов: методики поиска неисправностей в последовательных и параллельных цепях
- Анализ сетей: продвинутые техники для сложных электрических цепей
- Структуры (struct) в C++: объяснение с практическим примером
- Освоение std::list в C++: синтаксис, функции и практические примеры
- Counter в collections Python: эффективное подсчёт, обновление и арифметические операции
- Теорема Теллегена: полное руководство с решенными примерами и симуляциями в MATLAB
- Как безопасно утилизировать и переработать старые печатные платы