數學教育:諾頓定理

2021-02-08 FHM 2K

諾頓定理(Norton's theorem):含獨立源的線性電阻單口網絡N,就埠特性而言,可以等效為一個電流源和電阻的並聯。電流源的電流等於單口網絡從外部短路時的埠電流isc;電阻R0是單口網絡內全部獨立源為零值時所得網絡N0的等效電阻。

諾頓定理(Norton's theorem)指的是一個由電壓源及電阻所組成的具有兩個端點的電路系統,都可以在電路上等效於由一個理想電流源I與一個電阻R並聯的電路。對於單頻的交流系統,此定理不只適用於電阻,亦可適用於廣義的阻抗。諾頓等效電路是用來描述線性電源與阻抗在某個頻率下的等效電路,此等效電路是由一個理想電流源與一個理想阻抗並聯所組成的。

諾頓定理是戴維寧定理的一個延伸,於1926年由兩人分別提出,他們分別是西門子公司研究員漢斯·梅耶爾(1895年-1980年)及貝爾實驗室工程師愛德華·勞笠·諾頓(1898-1983)。實際上梅耶爾是兩人中唯一有在這課題上發表過論文的人,但諾頓只在貝爾實驗室內部用的一份技術報告上提及過他的發現。

簡介

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諾頓定理與戴維南定理互為對偶的定理。定理指出,一個含有獨立電源線性二端網絡N(圖1a), 就其外部狀態而言,可以用一個獨立電流源isc和一個鬆弛二端網絡N0的並聯組合來等效(圖1b)。其中,isc是網絡N的短路電流,鬆弛網絡N0是將網絡 N中的全部獨立電源和所有動態元件上的初始條件置零後得到的網絡。上述並聯組合稱為諾頓等效網絡。在復頻域中等效網絡由電流源Isc和算子阻抗Yi(s)並聯而成(圖2)。Isc(s)是短路電流的拉普拉斯變換,Yi(s)是鬆弛網絡N0的入端(策動點)導納。另外,還能導出網絡N用於正弦穩態分析和直流分板的等效網絡。

求等效電路的關鍵是求出網絡N的短路電流和網絡N0的入端(策動點)導納。它們均可通過電子計算機求得。

isc稱為短路電流。Ro稱為諾頓電阻,也稱為輸入電阻或輸出電阻。電流源isc和電阻Ro的並聯單口,稱為單口網絡的諾頓等效電路。在埠電壓電流採用關聯參考方向時,單口的VCR方程可表示為i=u/Ro+ isc [1]

諾頓定理和戴維南定理是最常用的電路簡化方法。由於戴維南定理和諾頓定理都是將有源二端網絡等效為電源支路,所以統稱為等效電源定理或等效發電機定理 [2] 。

證明

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諾頓定理證明

在單口網絡埠上外加電壓源u,根據疊加定理,埠電壓可以分為兩部分組成。分別求出外加電壓源單獨產生的電流i』=u/Ro和單口網絡內全部獨立源產生的電流i"=-isc,然後相加得到埠電壓電流關係式:i=i』 +i」=u/Ro+isc [1]

注意事項

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(1)諾頓定理只對外電路等效,對內電路不等效。也就是說,不可應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(即有源二端網絡內部電路)的電流和功率。

諾頓定理

(2)應用諾頓定理進行分析和計算時,如果待求支路後的有源二端網絡仍為複雜電路,可再次運用諾頓定理,直至成為簡單電路。

(3)諾頓定理只適用於線性的有源二端網絡。如果有源二端網絡中含有非線性元件時,則不能應用諾頓定理求解。

諾頓等效電路的計算

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任何只包含電壓源、電流源及電阻的黑箱系統,都可以轉換成諾頓等效電路

要計算出等效電路,需:

在AB兩端短路(亦即負載電阻為零)的狀況下計算輸出電流IAB。此為INO。

在AB兩端開路(在沒有任何往外電流輸出,亦即當AB點之間的阻抗無限大)的狀況下計算輸出電壓VAB,此時RNo等於VAB除以INO。

其中的第2項也可以考慮成:

轉換至戴維寧等效電路

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其中

分別代表戴維寧等效電阻、諾頓等效電阻、戴維寧等效獨立電壓源以及諾頓獨立電流源。

諾頓等效電路的範例

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在此範例中,先將A、B兩點短路,整體電流

可以寫成:

利用電流的分流原則,從

流過負載的電流

為:

再把電壓源用短路來取代,從系統開口兩端往裡看的等效阻抗為:

因此,等效電路則是由一個3.75 mA的電流源並聯一個2KΩ的電阻所組成。

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