3·50

戴维南与诺顿

求 RthR_{th} 有三条路:(1) 关掉独立源后看进去的电阻;(2) voc/iscv_{oc}/i_{sc};(3) 加测试源。没有受控源时 (1) 最快;有受控源只能用 (2) 或 (3)。

练习 4

基础 标准戴维南 + 换负载

+ − 30 V 10 Ω 15 Ω 4 Ω a b

(a) 求 a–b 的戴维南等效和诺顿等效。
(b) a–b 依次接 5 Ω、10 Ω、20 Ω,各流过多少电流?

看解答
voc=30⋅1510+15=18 V,Rth=10∥15+4=6+4=10 Ω,iN=1810=1.8 Av_{oc} = 30 \cdot \frac{15}{10+15} = 18\ \text{V},\qquad R_{th} = 10 \parallel 15 + 4 = 6 + 4 = 10\ \Omega,\qquad i_N = \frac{18}{10} = 1.8\ \text{A}

(b) i=18/(10+RL)i = 18/(10 + R_L):5 Ω → 1.2 A,10 Ω → 0.9 A,20 Ω → 0.6 A。等效电路的好处就在这里:换负载不用重解整个电路。

易错

开路时 4 Ω 上没有电流,所以 vocv_{oc} 就是 15 Ω 上的电压,4 Ω 不参与分压。

练习 5

基础 电压源和电流源都有

+ − 12 V 3 Ω 3 A 6 Ω 2 Ω m a b

求 a–b 的 vocv_{oc}、isci_{sc}、RthR_{th},并用 voc=Rth iscv_{oc} = R_{th}\,i_{sc} 自己核对。

提示

开路时 2 Ω 没电流,voc=vmv_{oc} = v_m。m 点写一个 KCL 就够了。

看解答

开路:

12−vm6+3=vm3  ⇒  vm=10 V=voc\frac{12 - v_m}{6} + 3 = \frac{v_m}{3} \;\Rightarrow\; v_m = 10\ \text{V} = v_{oc}

关源看进去:12 V 短路、3 A 开路,Rth=6∥3+2=4R_{th} = 6 \parallel 3 + 2 = 4 Ω。

短路(a 接 b):m 点 12−vm6+3=vm3+vm2\frac{12-v_m}{6} + 3 = \frac{v_m}{3} + \frac{v_m}{2},得 vm=5v_m = 5 V,isc=5/2=2.5i_{sc} = 5/2 = 2.5 A。

核对

Rthisc=4×2.5=10R_{th} i_{sc} = 4 \times 2.5 = 10 V =voc= v_{oc}。✓

练习 6

进阶 端口不接地:电桥中间那根电阻

+ − 20 V 4 Ω 4 Ω 2 Ω 8 Ω Rx L R

把 RxR_x 拿掉,求从 L–R 两点看进去的戴维南等效(voc=vL−vRv_{oc} = v_L - v_R)。然后求 Rx=2.4R_x = 2.4 Ω 时从 L 流到 R 的电流。

提示

关掉 20 V(短路)以后,上下两条母线是同一个节点。L 看到 4 Ω ∥ 4 Ω,R 看到 2 Ω ∥ 8 Ω,两者串联。

看解答
vL=20⋅48=10 V,vR=20⋅810=16 V,voc=10−16=−6 Vv_L = 20\cdot\tfrac{4}{8} = 10\ \text{V},\quad v_R = 20\cdot\tfrac{8}{10} = 16\ \text{V},\quad v_{oc} = 10 - 16 = -6\ \text{V} Rth=4∥4+2∥8=2+1.6=3.6 ΩR_{th} = 4\parallel 4 + 2 \parallel 8 = 2 + 1.6 = 3.6\ \Omega iL→R=vocRth+Rx=−63.6+2.4=−1 Ai_{L\to R} = \frac{v_{oc}}{R_{th} + R_x} = \frac{-6}{3.6 + 2.4} = -1\ \text{A}

负号表示电流实际上从 R 流向 L。节点法直接解原电路也是 −1 A。

为什么能这样拆

关源以后上下母线短在一起,所以 L 一侧和 R 一侧各自是"两个电阻并联",然后经过母线串起来。这一步看不出来时,可以把下母线画成一点、上母线也并到这一点,重新画一遍。