第 3 章求 Thévenin 等效分两步:端口开路求 voc;关掉所有 independent source,用串并联求 Req。盒子里有 dependent source 时第二步行不通:dependent source 不能"关掉"(它的值由控制量决定,不是我们能设成 0 的),和电阻混在一起后一般也没法串并联化简。这一节讲通用的做法:在端口接一个 test source(测试源),直接算出端口的 v–i 关系。
Thévenin 等效 = 端口上的一条直线
端口两个端子标 + 和 −。端口电压 v 是 + 端减 − 端;端口电流 i 从 + 端流进盒子(passive sign convention)。Thévenin 等效是电压源 voc 串一个电阻 Req,它的端口关系是
v=voc+Reqi读法:i 从 + 端流进,流过 Req,在上面产生 Reqi 的压降(电流流进的一端电位高);再加上电压源的 voc。i=0(端口开路)时 v=voc,所以 voc 就是开路电压。
为什么有源的盒子也满足这条直线。把 dependent source 贴胶带后,盒子里只剩电阻和"源":真正的 independent source、贴了胶带的 vc(或 ic)、端口上的 test source i。叠加原理成立,所以端口电压是这些源的线性组合。撕胶带只是再加一个线性方程(比如 vc=μvx),把 vc 消掉以后,v 仍然是"常数 + 系数 × i"。常数就是 voc,系数就是 Req。和纯电阻盒子的区别是:dependent source 的参数会同时影响 voc 和 Req,所以 Req 可以是 0、负数,甚至无穷大(一般推导见 5·25)。
Norton 等效从同一条直线得到:解出 i=Reqv−Reqvoc。端口短路(v=0)时 i=−voc/Req,负号表示电流其实是从 + 端流出、经短路线回到 − 端。这个流出的电流叫短路电流 isc=voc/Req。Req=0 时没法除,Norton 等效不存在。
test source 法步骤
- dependent source 贴胶带;independent source 留着。
- 端口接一个 test source:电流源 i(从 + 端流进)求 v,或电压源 v 求流进 + 端的 i。
- 列方程,把控制量用 i(或 v)和 independent source 写出来,然后撕胶带。
- 整理成 v=voc+Reqi:常数项是 voc,i 的系数是 Req。
- 只要 Req 时,可以先关掉 independent source(电压源 → 短路,电流源 → 开路),这时 v=Reqi。dependent source 永远不关。
选哪种 test source:Req=0 的盒子(从外面看是纯电压源)不能用电压源测,两个不同的电压源并联违反 KVL;端口电流恒为 0 的盒子(从外面看是开路)不能用电流源测,违反 KCL。
例题例 1 只有 dependent source:用测试电压源求 Req
端口在左边,i 从 + 端流进。同一种颜色是同一个节点:青色 = 端口 + 端、6 Ω 上端、3 Ω 左端;橙色 = 节点 m(VCVS 的 + 端);灰色 = 底线。控制量 v1 是 6 Ω 上的电压(上 + 下 −)。求从端口看进去的等效电阻 Req,分别取 μ=0、1、3。
- 贴胶带,接 test source。VCVS 的电压叫 vc,它的 − 端接灰色底线,所以橙色节点 m 的电压就是 vc。盒子里没有 independent source,voc=0,只需要 Req:端口接电压源 v,求它送进 + 端的电流 i。
- 读颜色。6 Ω 接在青色和灰色之间,正好是端口两端,所以 v1=v,向下的电流 6v。3 Ω 接在青色(v)和橙色(vc)之间,从左往右的电流 3v−vc。
- 青色节点的 KCL:流进的 i 分成这两路,
i=6v+3v−vc
- 撕胶带:vc=μv1=μv。代入并通分:
i=6v+3(1−μ)v=6(3−2μ)v
- 等效电阻:Req=iv=3−2μ6 Ω。μ=0:2 Ω(VCVS 是 0 V,橙色节点等于接地,6∥3=2 Ω ✓)。μ=1:6 Ω(3 Ω 两端都是 v,没有电流,只剩 6 Ω ✓)。μ=3:6/(3−6)=−2 Ω,一个负电阻。
- 核对 μ=3:换成测试电流源 i=1 A,应得 v=−2 V。代回去:vc=3×(−2)=−6 V;6 Ω 上 −2/6=−31 A;3 Ω 上 3−2−(−6)=34 A;合计 −31+34=1 A ✓。
μ=1.5 时 3−2μ=0:不管加多少 v,i 都是 0,盒子从端口看像一个开路(Req=∞)。这时只能用电压源测;接电流源会违反 KCL。
例题例 2 课本例 5.4:有 independent source,一次求出 voc 和 Req
① 原图(课本图 5.26)。青色 = 中间节点(4 A 源上端、下面 2 Ω 上端、菱形左端);紫色 = 右边节点(端口 + 端);灰色 = 底线。下面 2 Ω 的电流 ix 向下;CCCS βix 从紫色节点流向青色节点。端口电流 i 从 + 端流进。is=4 A。求 Thévenin 等效(voc、Req 用 β 表示),再代 β=0,1,2,3;顺便求 Norton 的 isc。
② 菱形贴胶带(电流 ic,方向照原来的箭头),端口接测试电流源 i。4 A 源留着。虚线圈住青色、紫色两个节点和它们之间的元件。
- ix:对圈住的一块写 KCL。穿过虚线的导线只有三根:is 从左边流进,i 从端口流进,ix 经下面的 2 Ω 流出(菱形和上面的 2 Ω 整个在圈里)。所以
ix=is+i
- 上面 2 Ω 的电流。紫色节点:流进 i,菱形从这里拿走 ic,剩下的 i−ic 只能从右往左流过上面的 2 Ω(图中虚线箭头)。
- 端口电压。从紫色经上面 2 Ω 到青色,再经下面 2 Ω 到灰色,两段都顺着电流方向走,都是降压:
v=2(i−ic)+2(i+is)=4i−2ic+2is
- 撕胶带。ic=βix=β(i+is)。
- 代入,整理成"常数 + 系数 × i"。
v=4i−2βi−2βis+2is
v=voc2(1−β)is+Req(4−2β)i
- 检查 β=0(菱形不存在)。端口开路时 4 A 全部流过下面的 2 Ω,voc=2×4=8 V;关掉 4 A(开路)后从端口看是两个 2 Ω 串联,Req=4 Ω。公式给 8 V、4 Ω ✓。
- Norton。isc=Reqvoc=2(2−β)2(1−β)is=2−β1−βis。
③ 结果:从端口看,整个盒子就是一个电压源 voc 串一个电阻 Req(绿色是等效电路里两者之间的点)。
| β | voc=2(1−β)⋅4 | Req=4−2β | isc | 等效成什么 |
| 0 | 8 V | 4 Ω | 2 A | 普通 Thévenin |
| 1 | 0 V | 2 Ω | 0 | 纯电阻:里面明明有 4 A 源 |
| 2 | −8 V | 0 Ω | 不存在 | 纯电压源:里面明明有电阻;Norton 不存在 |
| 3 | −16 V | −2 Ω | 8 A | 负电阻 + 电压源 |
β=2 时 Req=0,isc 的分母为 0,"纯电压源"没法换成电流源。也正因为它是纯电压源,这时不能用电压源当 test source,这里用的是电流源。
用节点法独立核对
两个节点(中间 vM、右边 v),分别代 i=0 和 i=1 A 解方程组:β=0,1,2,3 的 v(i=0)= 8、0、−8、−16 V,v(1)−v(0) = 4、2、0、−2 Ω,与上表一致 ✓。
常见错误
- 把 dependent source 也"关掉"再算电阻:得到的是 β=0 的答案(4 Ω),不是真正的 Req。
- 忘了把控制量(ix)用 i 和 is 写出来,撕胶带后多一个消不掉的符号。
- i 的方向:v=voc+Reqi 要求 i 从 + 端流进。如果把 i 定义成从 + 端流出,式子变成 v=voc−Reqi,读 Req 时符号会反。
详细讲解见:零基础图解版(进阶里"例 B 的 R_eq")、5·25 进阶:控制量在子电路外面时(例 5.5)、负 R_eq 的最大功率(例 5.6)