戴維南諾頓定理分析法

2021-01-14 職需學

一個有源二端網絡的對外作用,可以用一個電壓源串一個電阻或者一個電流源並一個電阻來等效。如何等效,就是戴維南和諾頓定理的具體內容,統稱為電源定理,也稱為等效發電機定理。


戴維南(Thevenin)定理:一個線性二端網絡的對外作用,可代之以實際的電壓源。此等效電壓源電壓等於此二端網絡的開路電壓,等效電阻等於把有源二端網絡內部的各獨立電源的源電壓短路、源電流開路以後所得到的不含獨立電源的二端網絡端子間的等效電阻。


諾頓(NORTON)定理:一個線性二端網絡的對外作用,可代之以實際的電流源。此等效電流源的電流等於此二端網絡的短路電流,等效電阻等於把有源二端網絡內部的各獨立電源的源電壓短路、源電流開路以後所得到的不含獨立電源的二端網絡端子間的等效電阻。


定理如下圖所示:



例題,分別用戴維南和諾頓定理求等效下面電路,及流過RL的電流IL。

戴維南定理:

第一步計算戴維南等效電壓,此時AB點之間當開路處理,電路圖等效如下。

可以算出AB的電壓為:

Eth = E * R1/(R1+R2) = 100*100/(100+100) = 50V


第二步計算戴維南等效電阻,電壓短路,等效電路如下。

可以計算出AB間的電阻為:

Rth = R3+R1||R2 = 50 + 100||100 = 100歐姆


第三步畫出戴維南等效電路如下。

在求IL就很簡單了。

IL = Eth/(Rth + RL) = 50/(100+50) = 1/3 A



諾頓定理:

第一步,諾頓等效電流,此時AB點之間當短路處理,電路圖和上面戴維南的第一個等效圖有點差別,等效如下。

In = [E/(R1+R3||R2)]*[R2/(R2+R3)] = [100/(100 + 100||50)]*[100/(100+50)] = 0.5A


第二步計算等效諾頓電阻,這個跟戴維南的電阻求法一樣,電路圖也一樣。

Rn = R3+R1||R2 = 50 + 100||100 = 100歐姆


第三步畫出等效諾頓電路圖。

IL =  In * Rn / (Rn+RL) = 0.5 *100/150 = 1/3A


從這裡看以看出,兩者的結果是一樣的。進一步總結一下,可以看出,二者的電阻是一樣的,下圖給出了兩個圖的進一步比較。


舉兩個實際應用的例子。

第一個如下圖,求這個電路的時間常數。

上圖是一個典型的分壓電路,外加一個濾波電容。這個電路也是一個RC低通濾波器,所以在使用的時候需要知道它的時間常數τ(念tao),以此來確定需要多久才可以得到穩定的輸出電壓Vo。如何電路的RC濾波器的時間常數τ是多少呢?是100kΩ * 0.1uF嗎?看起來很像,但是R2的存在是無法忽略的。這個時候就可以用戴維南定理了。


從輸出往輸入看,使用戴維南定理簡化後的電路圖就變成了下圖:


結果是R1和R2是並聯的關係。R1||R2的結果遠遠比R1=100kΩ要小很多,所以其時間常數τ也比原來預期的100kΩ * 0.1uF要小至少10倍!


再來一個例子,就是典型的交流電動機電路,合上開關,電機轉動,斷開開關,電動機停止轉動,如下圖。


上圖這個電路在斷開開關的時候會存在一個問題,因為電動機是一個感性負載(它的繞組就是一個電感),根據電磁感應定律,在斷開開關的瞬間,電動機的繞組(電感)會感生出一個反向電動勢(電壓很高),這個高壓很容易對電路裡的其他用電器件產生幹擾(電磁幹擾),甚至會損壞器件或者設備。


理論上來說,解決這個幹擾問題的方法是在電機的兩端並聯一個RC吸收電路(俗稱緩衝器,其作用是給電機的反向電動勢提供一個迴路,用電阻來發熱消耗掉感應出來的能量),如下圖所示。



在電路圖上看起來沒什麼問題,但是在實際應用場景裡,電機往往都安裝在設備裡面,安裝或者更換不方便,因此不是這麼使用的。可以根據戴維南定理進行一下改進,用戴維南等效一下,當把AC220V電壓源短路以後等效如下左圖。此時,把緩衝器按下圖中間圖方式連接,那麼看上去是不是就跟上面的馬達兩端並個緩衝器一樣了。因此最終的用法就是如右圖。

這兩個電路圖的效果是完全一樣的!一般開關都是在設備的外面,只需要在開關盒裡並聯一個緩衝器,就可以解決問題,還方便維護。


因此戴維南定理是一個非常強大的工具,生活中電壓源更多一些,戴維南應用的比諾頓的要廣一些。


好了,今天就到這裡了。明天開工了,又得上班了!


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