Суть метода заключается в постепенном упрощении (сворачивании) схемы к зажимам источника с последующим расчетом тока источника, если источником является источник напряжения, или напряжения на зажимах источника, если это источник тока. На следующем этапе следует, пользуясь законами Ома и Кирхгофа, рассчитывать токи и напряжения, на участках цепей постепенно возвращаясь к исходной схеме в обратном порядке от более простых схем к более сложным. Таким образом, МЭП включает в себя два этапа: первый – постепенное упрощение исходной схемы с определением эквивалентных (преобразованных) сопротивлений, второй – расчет токов и напряжений в этих схемах и в конечном итоге в исходной цепи.
Практичнее всего начинать первый этап с обнаружения участков с последовательным или параллельным соединением и заменой их одним эквивалентным. Если таких участков не обнаружено, необходимо переходить к отсеканию участков с соединением звезда или треугольник, после эквивалентного преобразования которых появится соединение последовательное или параллельное.
Пример 1.
Для схемы е = 20 В, резисторы
R 1 = 3 Oм; R 2 = 5 Oм; R 3 = 20 Oм; R 0 = 2 Oм; R 4 = R 5 = 10 Oм. Вычислить токи в ветвях.
Решение:
R 4 и R 5 соединены последовательно После замены их эквивалентным сопротивлением R 45 получим:
Получается схема, в которой резисторы R 3 и R 45 соединены параллельно. После их замены эквивалентным сопротивлением R 345 получим:
Схема преобразуется к виду:
В полученной схеме уже легко рассчитывается ток в источнике напряжения (е, R 0) по второму закону Кирхгофа:
Напряжение на зажимах источника определяется по закону Ома:
Напряжение на участке “ ab ” Uab определяется так же по закону Ома:
Это напряжение, определенное именно в этой схеме окажется необходим для определения токов I 3 и I 45 на участке “ ab ” в предыдущей схеме.
Эти токи можно рассчитать и сразу после определения тока источника I. Для этого необходимо воспользоваться формулой:
Таким образом, рассчитаны все токи в ветвях исходной схемы.
Следует отметить, что после расчета токораспределения в схеме любой сложности, легко определяются любые напряжения между любыми точками Для этого достаточно воспользоваться вторым законом Кирхгофа, записав его уже для контура, частично проходящего по ветвям схемы и замыкающегося по стрелке напряжения, подлежащего определению.
В исходной схеме напряжение Uab может быть определено из уравнения контура (A, B, R 5, R 2, A):
откуда
Пример 2.
Для схемы J = 10 mA,
G 0=10-4 1/ Oм, R 1 = 1 kOм,
R 2 = 2 kOм, R 3 = 3 kOм,
R 4 = 4 kOм, R 5 = 5 kOм.
Определить токи в ветвях.
Решение:
Схема, изображенная на рисунке простая. Соединения представляют собой комбинацию последовательно – параллельного. В схеме резисторы R 4 и R 5 соединены параллельно, после их эквивалентного преобразования в сопротивление R 45 схема примет вид:
В этой схеме резисторы R 3 и R 45 соединены последовательно. После их эквивалентного преобразования в сопротивление R 345 схема примет вид:
В схеме после преобразования R 2 и R 345, соединеных параллельно, получается схема:
В схеме R 1 и R 2345, соединены последовательно, их эквивалентное RЭ:
Схема преобразуется к виду:
В этой схеме легко находится ток I по формуле:
Напряжение U на зажимах источника тока J определяется по закону Ома
Токораспределение в исходной схеме находится по схемам, представленным ранее
Пример 3.
В схеме цепи неуравновешенного моста
е = 1,5 В, Rвн = 0,1 Oм, R 1 = 1 Oм,
R 2 = 1,6 Oм, R 3 = 2 Oм, R 4 = 1,2 Oм,
R 5 = 2 Oм.
Требуется определить токи в ветвях.
Решение:
Данная цепь не представляет собой сочетание последовательного и параллельного соединения сопротивлений. Во всех ветвях кроме пятой ветви можно выбрать направления вычисления токов так, чтобы они получились положительными числами. Укажем направления этих токов и обозначим их, ток I 5 – произвольно.
Чтобы цепь стала обычным смешанным соединением, воспользуемся методом преобразования и заменим треугольник сопротивлений R 1, R 3, R 5 эквивалентной звездой, концы лучей которой лежат в узловых точках A, B, D (Рис. б). Сопротивления лучей звезды определим по формулам преобразования:
После преобразования сопротивлений RB, R 2 соединены между собой последовательно, то же и RD, R 4. Участки цепи OBС и ODC соединены между собой параллельно, а весь этот участок с RA, e, Rвн – последовательно.
Поэтому относительно источника эквивалентное сопротивление цепи
тогда ток
Для определения токов I 2, I 4 вычислим напряжение UOC на параллельном участке цепи. Для этого составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура AOCA:
,
откуда:
Токи I 2, I 4 определим по закону Ома:
Для определения токов I 1, I 3 вычислим напряжения UAB и UAD из уравнений по второму закону Кирхгофа для контуров:
ABCA →
ADCA →
Ток I 5 определим из уравнения по первому закону Кирхгофа для узла B
(рис. а):
Проведем проверку правильности расчета, составив уравнения баланса мощности.
Мощность источника:
Мощность пассивных элементов цепи: