5·05

5.2 补:有源 Thévenin——test source 法(例 5.4)

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第 3 章求 Thévenin 等效分两步:端口开路求 vocv_{oc};关掉所有 independent source,用串并联求 ReqR_{eq}。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 vv–ii 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 vv 是 + 端减 − 端;端口电流 ii 从 + 端流进盒子(passive sign convention)。Thévenin 等效是电压源 vocv_{oc} 串一个电阻 ReqR_{eq},它的端口关系是

v=voc+Req iv = v_{oc} + R_{eq}\, i

读法:ii 从 + 端流进,流过 ReqR_{eq},在上面产生 ReqiR_{eq} i 的压降(电流流进的一端电位高);再加上电压源的 vocv_{oc}。i=0i = 0(端口开路)时 v=vocv = v_{oc},所以 vocv_{oc} 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 vcv_c(或 ici_c)、端口上的 test source ii。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=μvxv_c = \mu v_x),把 vcv_c 消掉以后,vv 仍然是"常数 + 系数 × ii"。常数就是 vocv_{oc},系数就是 ReqR_{eq}。和纯电阻盒子的区别是:dependent source 的参数会同时影响 vocv_{oc} 和 ReqR_{eq},所以 ReqR_{eq} 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=vReq−vocReqi = \frac{v}{R_{eq}} - \frac{v_{oc}}{R_{eq}}。端口短路(v=0v = 0)时 i=−voc/Reqi = -v_{oc}/R_{eq},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/Reqi_{sc} = v_{oc}/R_{eq}。Req=0R_{eq} = 0 时没法除,Norton 等效不存在。

test source 法步骤
  1. dependent source 贴胶带;independent source 留着。
  2. 端口接一个 test source:电流源 ii(从 + 端流进)求 vv,或电压源 vv 求流进 + 端的 ii。
  3. 列方程,把控制量用 ii(或 vv)和 independent source 写出来,然后撕胶带。
  4. 整理成 v=voc+Req iv = v_{oc} + R_{eq}\, i:常数项是 vocv_{oc},ii 的系数是 ReqR_{eq}。
  5. 只要 ReqR_{eq} 时,可以先关掉 independent source(电压源 → 短路,电流源 → 开路),这时 v=Reqiv = R_{eq} i。dependent source 永远不关。

选哪种 test source:Req=0R_{eq} = 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 ReqR_{eq}

6 Ω + − v1 3 Ω + − μ v1 + − m v i
端口在左边,ii 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 v1v_1 是 6 Ω 上的电压(上 + 下 −)。

求从端口看进去的等效电阻 ReqR_{eq},分别取 μ=0\mu = 0、11、33。

  1. 贴胶带,接 test source。VCVS 的电压叫 vcv_c,它的 − 端接灰色底线,所以橙色节点 m 的电压就是 vcv_c。盒子里没有 independent source,voc=0v_{oc} = 0,只需要 ReqR_{eq}:端口接电压源 vv,求它送进 + 端的电流 ii。
  2. 读颜色。6 Ω 接在青色和灰色之间,正好是端口两端,所以 v1=vv_1 = v,向下的电流 v6\frac{v}{6}。3 Ω 接在青色(vv)和橙色(vcv_c)之间,从左往右的电流 v−vc3\frac{v - v_c}{3}。
  3. 青色节点的 KCL:流进的 ii 分成这两路, i=v6+v−vc3i = \frac{v}{6} + \frac{v - v_c}{3}
  4. 撕胶带:vc=μv1=μvv_c = \mu v_1 = \mu v。代入并通分: i=v6+(1−μ) v3=(3−2μ) v6\begin{aligned} i &= \frac{v}{6} + \frac{(1-\mu)\,v}{3} \\ &= \frac{(3 - 2\mu)\, v}{6} \end{aligned}
  5. 等效电阻:Req=vi=63−2μ ΩR_{eq} = \dfrac{v}{i} = \dfrac{6}{3 - 2\mu}\ \Omega。μ=0\mu = 0:2 Ω(VCVS 是 0 V,橙色节点等于接地,6∥3=2 Ω6 \parallel 3 = 2\ \Omega ✓)。μ=1\mu = 1:6 Ω(3 Ω 两端都是 vv,没有电流,只剩 6 Ω ✓)。μ=3\mu = 3:6/(3−6)=−2 Ω6/(3 - 6) = -2\ \Omega,一个负电阻。
  6. 核对 μ=3\mu = 3:换成测试电流源 i=1i = 1 A,应得 v=−2v = -2 V。代回去:vc=3×(−2)=−6v_c = 3 \times (-2) = -6 V;6 Ω 上 −2/6=−13-2/6 = -\frac13 A;3 Ω 上 −2−(−6)3=43\frac{-2 - (-6)}{3} = \frac43 A;合计 −13+43=1-\frac13 + \frac43 = 1 A ✓。

μ=1.5\mu = 1.5 时 3−2μ=03 - 2\mu = 0:不管加多少 vv,ii 都是 0,盒子从端口看像一个开路(Req=∞R_{eq} = \infty)。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 vocv_{oc} 和 ReqR_{eq}

is = 4 A 2 Ω ix 2 Ω β ix + − v i
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 ixi_x 向下;CCCS βix\beta i_x 从紫色节点流向青色节点。端口电流 ii 从 + 端流进。

is=4i_s = 4 A。求 Thévenin 等效(vocv_{oc}、ReqR_{eq} 用 β\beta 表示),再代 β=0,1,2,3\beta = 0, 1, 2, 3;顺便求 Norton 的 isci_{sc}。

圈住的一块 is = 4 A 2 Ω ix 2 Ω ic + − v i(测试) i − ic
② 菱形贴胶带(电流 ici_c,方向照原来的箭头),端口接测试电流源 ii。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。
  1. ixi_x:对圈住的一块写 KCL。穿过虚线的导线只有三根:isi_s 从左边流进,ii 从端口流进,ixi_x 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+ii_x = i_s + i
  2. 上面 2 Ω 的电流。紫色节点:流进 ii,菱形从这里拿走 ici_c,剩下的 i−ici - i_c 只能从右往左流过上面的 2 Ω(图中虚线箭头)。
  3. 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\begin{aligned} v &= 2(i - i_c) + 2(i + i_s) \\ &= 4i - 2i_c + 2i_s \end{aligned}
  4. 撕胶带。ic=βix=β(i+is)i_c = \beta i_x = \beta(i + i_s)。
  5. 代入,整理成"常数 + 系数 × ii"。 v=4i−2βi−2βis+2isv = 4i - 2\beta i - 2\beta i_s + 2i_s v=2(1−β) is⏟voc+(4−2β)⏟Req iv = \underbrace{2(1-\beta)\, i_s}_{v_{oc}} + \underbrace{(4 - 2\beta)}_{R_{eq}}\, i
  6. 检查 β=0\beta = 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=8v_{oc} = 2 \times 4 = 8 V;关掉 4 A(开路)后从端口看是两个 2 Ω 串联,Req=4 ΩR_{eq} = 4\ \Omega。公式给 8 V、4 Ω ✓。
  7. Norton。isc=vocReq=2(1−β) is2(2−β)=1−β2−β isi_{sc} = \frac{v_{oc}}{R_{eq}} = \frac{2(1-\beta)\, i_s}{2(2-\beta)} = \frac{1-\beta}{2-\beta}\, i_s。
+ − voc Req + − v voc = 2(1 − β) is Req = 4 − 2β
③ 结果:从端口看,整个盒子就是一个电压源 vocv_{oc} 串一个电阻 ReqR_{eq}(绿色是等效电路里两者之间的点)。
β\betavoc=2(1−β)⋅4v_{oc} = 2(1-\beta)\cdot 4Req=4−2βR_{eq} = 4 - 2\betaisci_{sc}等效成什么
08 V4 Ω2 A普通 Thévenin
10 V2 Ω0纯电阻:里面明明有 4 A 源
2−8 V0 Ω不存在纯电压源:里面明明有电阻;Norton 不存在
3−16 V−2 Ω8 A负电阻 + 电压源

β=2\beta = 2 时 Req=0R_{eq} = 0,isci_{sc} 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 vMv_M、右边 vv),分别代 i=0i = 0 和 i=1i = 1 A 解方程组:β=0,1,2,3\beta = 0, 1, 2, 3 的 vv(i=0i=0)= 8、0、−8、−16 V,v(1)−v(0)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\beta = 0 的答案(4 Ω),不是真正的 ReqR_{eq}。
  • 忘了把控制量(ixi_x)用 ii 和 isi_s 写出来,撕胶带后多一个消不掉的符号。
  • ii 的方向:v=voc+Reqiv = v_{oc} + R_{eq} i 要求 ii 从 + 端流进。如果把 ii 定义成从 + 端流出,式子变成 v=voc−Reqiv = v_{oc} - R_{eq} i,读 ReqR_{eq} 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)