戴維南定理

戴維南定理

戴維南定理,Thevenin theorem含獨立電源的線性電阻單口網路N,就連線埠特性而言,可以等效為一個電壓源和電阻串聯的單口網路。電壓源的電壓等於單口網路在負載開路時的電壓uoc;電阻R0是單口網路內全部獨立電源為零值時所得單口網路N0的等效電阻。戴維南等效電路對於電源供應器及電池(裡面包含一個代表內阻抗的電阻及一個代表電動勢的電壓源)來說是一個很好的等效模型,此電路包含了一個理想的電壓源串聯一個理想的電阻。此定理陳述出一個具有電壓源及電阻的電路可以被轉換成戴維南等效電路,這是用於電路分析的簡化技巧。

基本信息

證明

戴維南定理證明戴維南定理證明

戴維南定理可以在單口外加電流源i,用疊加定理計算連線埠電壓表達式的方法證明如下。

在單口網路連線埠上外加電流源i,根據疊加定理,連線埠電壓可以分為兩部分組成。一部分由電流源單獨作用(單口內全部獨立電源置零)產生的電壓u’=Roi,另一部分是外加電流源置零(i=0),即單口網路開路時,由單口網路內部全部獨立電源共同作用產生的電壓u”=uoc。由此得到:

U=u’+u”=Roi + uoc

詳解

可將任一複雜的集總參數含源線性時不變二端網路等效為一個簡單的二端網路的定理。1883年,由法國人L.C.戴維南提出。由於1853年德國人H.L.F.亥姆霍茲也曾提出過,因而又稱亥姆霍茲-戴維南定理。

戴維南定理指出,等效二端網路的電動勢

等於二端網路開路時的電壓,它的串聯內阻抗等於網路內部各獨立源和電容電壓、電感電流都為零時,從這二端看向網路的阻抗Z

。設二端網路N中含有獨立電源和線性時不變二端元件(電阻器、電感器、電容器),這些元件之間可以有耦合,即可以有受控源及互感耦合;網路N的兩端ɑ、

接有負載阻抗Z(

),但負載與網路N內部諸元件之間沒有耦合,

(

)=Z(

)

(

)(圖1)。當網路 N中所有獨立電源都不工作(例如將獨立電壓源用短路代替,獨立電流源用開路代替),所有電容電壓和電感電流的初始值都為零的時候,可把這二端網路記作N

。這樣,負載阻抗Z(

)中的電流

(

)一般就可以按下式計算(圖2)

式中

(

)是圖1二端網路N的開路電壓,亦即Z(

)是無窮大時的電壓

(

);Z

(

)是二端網路N

呈現的阻抗;

是由單邊拉普拉斯變換引進的復變數。

和戴維南定理類似,有諾頓定理或亥姆霍茲-諾頓定理。按照這一定理,任何含源線性時不變二端網路均可等效為二端電流源,它的電流

等於在網路二端短路線中流過的電流,並聯內阻抗同樣等於看向網路的阻抗。這樣,圖1中的電流

(

)一般可按下式計算(圖3)

戴維南定理戴維南定理

式中

(

)是圖1二端網路N的短路電流,亦即Z(

)等於零時的電流

(

);Z

(

)及

的意義同前。

圖2、圖3虛線方框中的二端網路,常分別稱作二端網路N的戴維南等效電路和諾頓等效電路。

戴維南定理戴維南定理
戴維南定理戴維南定理

在正弦交流穩態條件下,戴維南定理和諾頓定理可表述為:當二端網路N接復阻抗Z時,Z中的電流相量夒一般可按以下二式計算

式中夌、徴分別是N的開路電壓相量和短路電流相量;Z

是N

呈現的復阻抗;N

是獨立電源不工作時的二端網路N。

這個定理可推廣到含有線性時變元件的二端網路。

注意事項

(1)戴維南定理只對外電路等效,對內電路不等效。也就是說,不可套用該定理求出等效電源電動勢和內阻之後,又返回來求原電路(即有源二端網路內部電路)的電流和功率。

(2)套用戴維南定理進行分析和計算時,如果待求支路後的有源二端網路仍為複雜電路,可再次運用戴維南定理,直至成為簡單電路。

(3)戴維南定理只適用於線性的有源二端網路。如果有源二端網路中含有非線性元件時,則不能套用戴維南定理求解。

(4)戴維南定理和諾頓定理的適當選取將會大大化簡電路

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