Superpozycja: zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Inaczej: zasada superpozycji · metoda superpozycji

Darmowe zadania z tematu Superpozycja z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: 2 źródła napięcia, źródło napięcia + źródło prądu, 3 źródła.

Darmowe zadanieŁatwy
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​8 V

Użyj metody superpozycji, aby wyznaczyć prąd IR1 płynący przez R1 w kierunku strzałki.

V1 = 15 VV2 = 8 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 Ω
A
Następne zadanie →
Ćwicz za darmo: SuperpozycjaĆwicz teraz: Superpozycja5 darmowych zadań dziennie. Bez karty.

Co ćwiczysz

  1. Łatwy2 źródła napięcia
  2. Średniźródło napięcia + źródło prądu
  3. Trudny3 źródła

Jak rozwiązywać zadania: Superpozycja

  1. Policz niezależne źródła. Dla każdego źródła rozwiążesz jeden prostszy obwód.
  2. Zostaw jedno źródło, a pozostałe wyłącz: źródło napięciowe staje się zwarciem (przewodem), źródło prądowe staje się rozwarciem (przerwą).
  3. Rozwiąż prostszy obwód dla potrzebnego napięcia lub prądu, pilnując jego kierunku.
  4. Powtórz dla każdego źródła, a potem dodaj składowe z ich znakami.

Typowe błędy

  • Usunięcie źródła napięciowego zamiast zastąpienia go przewodem.
  • Dodawanie składowych bez sprawdzenia ich kierunków.
  • Stosowanie superpozycji do mocy: moc nie jest liniowa, więc najpierw wyznacz całkowity prąd, a dopiero potem moc.

Najważniejsze wzory

Superpozycja
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Wyłączone źródło napięcia
zwarcie (0 V)
Wyłączone źródło prądu
rozwarcie (0 A)
Dzielnik napięcia
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Dzielnik prądu
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Naucz się tematu Superpozycja od zera

Wcześniej: Rezystory szeregowo i równolegle

1Czym jest superpozycja

Wiele obwodów ma więcej niż jedno źródło: dwie baterie albo baterię i źródło prądu.

Rozwiązanie wszystkiego naraz bywa trudne. Superpozycja pozwala rozbić zadanie na prostsze części.

Idea jest taka: każde źródło wymusza w obwodzie własny prąd. Rzeczywisty prąd w rezystorze jest sumą tego, co powoduje każde źródło osobno.

Wyobraź sobie dwa krany napełniające tę samą wannę. Poziom wody rośnie o tyle, ile dolewa pierwszy kran, plus tyle, ile dolewa drugi.

Samosprawdzenie Co pozwala zrobić superpozycja?
  1. Pominąć wszystkie źródła oprócz największego
  2. Pomnożyć skutki działania źródeł
  3. Rozwiązać obwód osobno dla każdego źródła i dodać wyniki
  4. Zastąpić wszystkie rezystory jednym rezystorem

Odpowiedź: Rozwiązać obwód osobno dla każdego źródła i dodać wyniki. Patrzysz na jedno źródło naraz, wyznaczasz, co ono powoduje, i na końcu dodajesz wszystkie składowe.

2Wyłączanie źródła

Aby zbadać jedno źródło osobno, wyłączasz pozostałe. Wyłączenie oznacza ustawienie źródła na zero.

  • Źródło napięcia ustawione na 0 V zamienia się w zwykły przewód (zwarcie).
  • Źródło prądu ustawione na 0 A zamienia się w przerwę (rozwarcie).
+−0 V0 A

Wyłączasz tylko źródła. Każdy rezystor zostaje dokładnie tam, gdzie był.

Ta metoda działa dla obwodów złożonych z rezystorów i niezależnych źródeł. Takie obwody nazywamy liniowymi: podwojenie źródła podwaja wszystko, co ono powoduje.

Samosprawdzenie Jak wyłączyć źródło prądu?
  1. Usunąć sąsiedni rezystor
  2. Zastąpić je rezystorem 1 Ω
  3. Zastąpić je rozwarciem (przerwą)
  4. Zastąpić je zwarciem (przewodem)

Odpowiedź: Zastąpić je rozwarciem (przerwą). Wyłączone źródło prądu daje 0 A. Tylko przerwa nie przepuszcza prądu bez względu na napięcie.

3Potrzebne narzędzia

Każdy prostszy obwód ma tylko jedno źródło, więc możesz go rozwiązać za pomocą połączeń szeregowych i równoległych rezystorów.

Rseries = R1 + R2
Rparallel = R1·R2 / (R1 + R2)

Najczęściej używanym narzędziem jest dzielnik napięcia. Dwa rezystory połączone szeregowo dzielą napięcie źródła proporcjonalnie do swoich wartości:

V2 = V · R2 / (R1 + R2)

Potem prawo Ohma, I = V/R, daje prąd w dowolnym rezystorze, gdy znasz jego napięcie.

Samosprawdzenie Źródło 12 V zasila szeregowo rezystory 6 Ω i 2 Ω. Jakie jest napięcie na rezystorze 2 Ω?
  1. 3 V
  2. 4 V
  3. 6 V
  4. 9 V

Odpowiedź: 3 V. V = 12 · 2/(6 + 2) = 3 V. Mniejszy rezystor dostaje mniejszą część napięcia.

4Metoda krok po kroku

  1. Policz niezależne źródła. Dla każdego z nich rozwiążesz jeden prostszy obwód.
  2. Zostaw jedno źródło i wyłącz wszystkie pozostałe: źródła napięcia stają się przewodami, a źródła prądu przerwami.
  3. Rozwiąż prostszy obwód, wyznaczając potrzebną wielkość. Zachowaj ten sam kierunek (lub te same + i −) co w zadaniu.
  4. Powtórz dla każdego źródła.
  5. Dodaj wszystkie składowe z uwzględnieniem znaków. Składowa o przeciwnym kierunku liczy się jako ujemna.

Narysuj każdy prostszy obwód, zanim zaczniesz liczyć. Większość błędów bierze się stąd, że patrzy się na oryginalny rysunek, a rozwiązuje inny obwód.

5Przykład krok po kroku

Przejdź przez każdy krok. Spróbuj przewidzieć następny, zanim go odsłonisz.

Przykład krok po kroku

Znajdź prąd I3 płynący przez R3 (w dół) w tym obwodzie.

1

Przyjrzyj się obwodowi

R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​3 ΩI3​A+−V1​12 V+−V2​6 V

Są dwa źródła, V1 = 12 V i V2 = 6 V. Rozwiążemy więc dwa prostsze obwody.

2

Włączone tylko V₁

R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​3 ΩI3​A+−V1​12 V0 V

Zastąp V2 przewodem. Teraz R2 biegnie od węzła A prosto do dolnego przewodu, więc R2 i R3 są połączone równolegle.

R2 ∥ R3 = 6·3 / (6 + 3) = 2 Ω
3

Dzielnik napięcia dla V₁

V1 „widzi” R1 = 6 Ω połączony szeregowo z równoległą parą o rezystancji 2 Ω. Napięcie w punkcie A to udział części 2 Ω:

VA′ = 12 · 2 / (6 + 2) = 3 V
I3′ = 3 V / 3 Ω = 1 A
4

Włączone tylko V₂

R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​3 ΩI3​A0 V+−V2​6 V

Teraz zastąp V1 przewodem. R1 i R3 są równolegle: 6·3/(6 + 3) = 2 Ω.

VA″ = 6 · 2 / (6 + 2) = 1,5 V
I3″ = 1,5 V / 3 Ω = 0,5 A
5

Dodaj składowe

Obie składowe płyną przez R3 w dół, więc obie są dodatnie.

I3 = I3′ + I3″ = 1 + 0,5 = 1,5 A
6

Sprawdź wynik

Przy obu włączonych źródłach VA = 3 + 1,5 = 4,5 V. Prądy wpływające do A z obu stron to (12 − 4,5)/6 = 1,25 A oraz (6 − 4,5)/6 = 0,25 A.

Razem daje to 1,5 A, czyli dokładnie prąd wypływający przez R3. Wynik jest poprawny.

Odpowiedź

I3 = 1,5 A, płynący w dół.

6Typowe błędy

  • Usunięcie źródła napięcia i pozostawienie przerwy. Wyłączone źródło napięcia to przewód.
  • Dodawanie składowych bez sprawdzenia ich kierunków. Narysuj strzałkę dla każdej składowej.
  • Liczenie mocy metodą superpozycji. Moc nie jest wielkością liniową: najpierw znajdź prąd całkowity, potem P = I²·R.
  • Zapomnienie o jakimś źródle. Przy trzech źródłach potrzebujesz trzech prostszych obwodów.
Samosprawdzenie W przykładzie I₃′ = 1 A i I₃″ = 0,5 A w rezystorze 3 Ω. Jaką moc pobiera R₃?
  1. 2,25 W
  2. 3,75 W
  3. 4,5 W
  4. 6,75 W

Odpowiedź: 6,75 W. Najpierw dodaj prądy: 1,5 A. Potem P = 1,5² · 3 = 6,75 W. Dodanie dwóch osobnych mocy (3 + 0,75 = 3,75 W) jest błędem, bo moc nie jest liniowa.

7Jak wyglądają zadania egzaminacyjne

  • Łatwe: dwa źródła napięcia i trzy rezystory. Każdy prostszy obwód to dzielnik napięcia.
  • Średnie: źródło napięcia i źródło prądu. Pamiętaj, że wyłączone źródło prądu staje się przerwą.
  • Trudne: trzy źródła, a szukana wielkość może być napięciem węzłowym lub prądem gałęziowym.

Niektóre zadania podają tylko pomiary. Na przykład: przy obu włączonych źródłach prąd wynosi 6,5 mA, a przy wyłączonym V2 wynosi 4,5 mA. Wtedy samo V2 powoduje 2 mA.

Ponieważ obwód jest liniowy, podwojenie V1 podwaja jego składową. Wykorzystaj to do przewidzenia prądu po zmianie źródła.

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy
R1​ = 10 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​2 Ω+−VR3​A+−V2​18 V

Użyj metody superpozycji, aby wyznaczyć napięcie VR3 na R3 o zaznaczonej biegunowości.

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω

Oblicz VR3 (V)

Pokaż podpowiedzi
  1. Ten obwód ma 2 niezależne źródła, więc rozwiąż 2 prostsze obwody, po jednym na źródło. Wyłącz pozostałe: źródło napięcia staje się zwarciem, a źródło prądu rozwarciem.
  2. Gdy działa tylko V₁, R₂ i R₃ są równolegle. Użyj dzielnika napięcia, aby wyznaczyć napięcie w węźle A.
  3. Gdy działa tylko V1, VR3′ = 2,634 V. Drugą składową wyznacz tak samo i dodaj.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Superpozycja: w obwodzie liniowym każde napięcie i każdy prąd to suma odpowiedzi na każde niezależne źródło działające osobno. Aby wyłączyć źródło, zastąp idealne źródło napięcia zwarciem, a idealne źródło prądu rozwarciem. Rezystory zostają na miejscu.

R1​ = 10 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​2 ΩAZWARCIE

Przypadek 1 · działa tylko V1

V₂ staje się zwarciem, więc R₂ biegnie teraz od A do masy, równolegle z R₃.

R2 ∥ R3 = 12·2/(12+2) = 1,714 Ω
VA = V1·(R2∥R3)/(R1+R2∥R3) = 18·1,714/(10+1,714) = 2,634 V
VR3′ = VA − 0 = 2,634 − 0 = 2,634 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 12 ΩZWARCIER3​2 ΩA+−V2​18 V

Przypadek 2 · działa tylko V2

V₁ staje się zwarciem, więc R₁ biegnie teraz od A do masy, równolegle z R₃.

R1 ∥ R3 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
VA = V2·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 18·1,667/(12+1,667) = 2,195 V
VR3″ = VA − 0 = 2,195 − 0 = 2,195 V

Dodaj składowe

VR3 = VR3′ + VR3″
VR3 = 2,634 + 2,195 = 4,829 V

Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości biegunowość jest odwrotna do zaznaczonej.

Przykład 2Średni
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​12 ΩIR4​BIs​2 A

Korzystając z superpozycji, wyznacz moc PR4 pobieraną przez R4.

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ω

Oblicz PR4 (W)

Pokaż podpowiedzi
  1. Ten obwód ma 2 niezależne źródła, więc rozwiąż 2 prostsze obwody, po jednym na źródło. Wyłącz pozostałe: źródło napięcia staje się zwarciem, a źródło prądu rozwarciem.
  2. Wyznacz prąd IR4 przez R4 z superpozycji, potem podnieś go do kwadratu: P = I²R.
  3. Gdy aktywne jest tylko V1, IR4′ = 0,07059 A.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Superpozycja: w obwodzie liniowym każde napięcie i każdy prąd to suma odpowiedzi na każde niezależne źródło działające osobno. Aby wyłączyć źródło, zastąp idealne źródło napięcia zwarciem, a idealne źródło prądu rozwarciem. Rezystory zostają na miejscu.

R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBROZWARCIE

Przypadek 1 · działa tylko V1

Iₛ staje się rozwarciem, więc R₃ i R₄ tworzą jedną gałąź szeregową od A do masy, równolegle z R₂.

R3+R4 = 8+12 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
VA = 6·4,615/(15+4,615) = 1,412 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,412·12/20 = 0,8471 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (0,8471 − 0)/12 = 0,07059 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩZWARCIER2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​2 A

Przypadek 2 · działa tylko Is

V₁ staje się zwarciem, więc R₁ jest równolegle z R₂. Iₛ rozdziela się w B między R₄ a drogę przez R₃.

R1 ∥ R2 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 12,29 = 6,071 Ω
VB = Is·Req = 2·6,071 = 12,14 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,14·4,286/12,29 = 4,235 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (12,14 − 0)/12 = 1,012 A

Zsumuj wkłady prądu

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,07059 + 1,012 = 1,082 A

Moc w rezystorze

Moc zależy od kwadratu prądu, więc nie podlega zasadzie superpozycji: najpierw zsumuj prądy, potem podnieś do kwadratu.

PR4 = IR4²·R4 = 1,082²·12 = 14,06 W

Odpowiedź

PR4 = 14,06 W

Zsumowanie mocy z poszczególnych przypadków dałoby 12,34 W, co jest błędne.

Przykład 3Trudny
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 Ω+−VR2​R4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩAIs​1 AB+−V2​15 V

Użyj metody superpozycji, aby wyznaczyć napięcie VR2 na R2 o zaznaczonej biegunowości.

V1 = 12 VIs = 1 AV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 25 Ω

Oblicz VR2 (V)

Pokaż podpowiedzi
  1. Ten obwód ma 3 niezależne źródła, więc rozwiąż 3 prostsze obwody, po jednym na źródło. Wyłącz pozostałe: źródło napięcia staje się zwarciem, a źródło prądu rozwarciem.
  2. Zacznij od samego V₁: zewrzyj V₂, rozewrzyj Iₛ. Patrząc z A, R₃ jest równolegle z R₂+R₄.
  3. Gdy działa tylko V1, VR2′ = 0,6379 V. Pozostałe składowe wyznacz tak samo i dodaj.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Superpozycja: w obwodzie liniowym każde napięcie i każdy prąd to suma odpowiedzi na każde niezależne źródło działające osobno. Aby wyłączyć źródło, zastąp idealne źródło napięcia zwarciem, a idealne źródło prądu rozwarciem. Rezystory zostają na miejscu.

R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩAROZWARCIEBZWARCIE

Przypadek 1 · działa tylko V1

V₂ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. Patrząc z A, R₃ jest równolegle z szeregową parą R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 8 ∥ 29 = 6,27 Ω
VA = 12·6,27/(10+6,27) = 4,625 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,625·25/29 = 3,987 V
VR2′ = VA − VB = 4,625 − 3,987 = 0,6379 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 25 ΩZWARCIER3​8 ΩAIs​1 ABZWARCIE

Przypadek 2 · działa tylko Is

Oba źródła napięcia stają się zwarciami. Iₛ rozdziela się w B między R₄ (teraz do masy) a R₂ szeregowo z R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 4,444 Ω, więc lewa gałąź to R2+4,444 = 8,444 Ω
Req = R4 ∥ 8,444 = 6,312 Ω
VB = Is·Req = 1·6,312 = 6,312 V
VA = VB·4,444/8,444 = 3,322 V
VR2″ = VA − VB = 3,322 − 6,312 = −2,99 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 25 ΩZWARCIER3​8 ΩAROZWARCIEB+−V2​15 V

Przypadek 3 · działa tylko V2

V₁ staje się zwarciem, a Iₛ rozwarciem. R₁ ∥ R₃ wychodzi z A, szeregowo z R₂ z powrotem do B.

R1 ∥ R3 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·8,444/33,44 = 3,787 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,787·4,444/8,444 = 1,993 V
VR2‴ = VA − VB = 1,993 − 3,787 = −1,794 V

Dodaj składowe

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,6379 + (−2,99) + (−1,794) = −4,146 V

Wynik ujemny oznacza, że w rzeczywistości biegunowość jest odwrotna do zaznaczonej.

Pytania i odpowiedzi

Superpozycja: co to jest?

Wiele obwodów ma więcej niż jedno źródło: dwie baterie albo baterię i źródło prądu.

Rozwiązanie wszystkiego naraz bywa trudne. Superpozycja pozwala rozbić zadanie na prostsze części.

Superpozycja: jak rozwiązywać zadania krok po kroku?
  1. Policz niezależne źródła. Dla każdego źródła rozwiążesz jeden prostszy obwód.
  2. Zostaw jedno źródło, a pozostałe wyłącz: źródło napięciowe staje się zwarciem (przewodem), źródło prądowe staje się rozwarciem (przerwą).
  3. Rozwiąż prostszy obwód dla potrzebnego napięcia lub prądu, pilnując jego kierunku.
  4. Powtórz dla każdego źródła, a potem dodaj składowe z ich znakami.
Superpozycja: jakie błędy są najczęstsze?
  • Usunięcie źródła napięciowego zamiast zastąpienia go przewodem.
  • Dodawanie składowych bez sprawdzenia ich kierunków.
  • Stosowanie superpozycji do mocy: moc nie jest liniowa, więc najpierw wyznacz całkowity prąd, a dopiero potem moc.
Superpozycja: co ćwiczysz?
  • Łatwy: 2 źródła napięcia
  • Średni: źródło napięcia + źródło prądu
  • Trudny: 3 źródła

Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi. Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.

Jak wygląda ćwiczenie

  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Tematy przed tym i po nim

Najpierw naucz się

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Elektrotechnika

Karta pracy do druku

Ćwicz za darmo: SuperpozycjaĆwicz teraz: Superpozycja5 darmowych zadań dziennie. Bez karty.