戴維南定理和戴維南等效電路


戴維南定理用於確定任何一個電路元件上的電流或電壓,而無需透過求解複雜的網路方程組。

戴維南定理的陳述

任何一個雙端雙向線性直流電路都可以用一個等效電路來代替,該等效電路由一個電壓源串聯一個電阻組成,電壓源等於開路負載端子上的開路電壓,電阻等於從開路負載端子看進去的電源網路的內阻。

戴維南定理的解釋

步驟 1 – 去除負載電阻 (RL) 並找到開路負載端子上的開路電壓 (VOC = VTh)。

$$\mathrm{\mathit{V}_{rh}=\mathit{IR}_{3}=\mathit{V}_{s}\frac{\mathit{R}_{3}}{\mathit{R}_{1}+\mathit{R}_{3}}}$$

其中,I 是流過電阻 R1 和 R3 的閉環電流。

步驟 2  - 使恆定電源失效(對於電壓源,透過其內阻去除,對於電流源,用開路代替電源)並找到從開路負載端子看進去的內阻 (RTh)。

$$\mathrm{\mathit{R}_{Th}=\frac{\mathit{R}_{1}\mathit{R}_{3}}{\mathit{R}_{1}+\mathit{R}_{3}}+\mathit{R}_{2}}$$

步驟 3 獲得戴維南等效電路,將 RTh 與 VTh 串聯。將負載電阻 (RL) 重新連線到負載端子上。然後,求出負載電流。

這裡,負載電流 (IL) 透過 RL 給出為:

$$\mathrm{\mathit{I}_{L}=\frac{\mathit{V}_{rh}}{\mathit{R}_{Th}+\mathit{R}_{L}}}$$

求戴維南等效電阻 (RTh) 的方法

  • 對於獨立電源 – 包含獨立電流源或電壓源的任何線性雙向網路的 RTh 可以透過使用其內阻使電源失效來確定,即對於獨立理想電壓源,透過短路使其失效,對於獨立理想電流源,透過去除電源使其失效。然後,找到從開路負載端子看進去的網路內阻。

  • 對於包含從屬電源或獨立電源或兩者兼而有之的電路

    • 第一種方法 求出開路負載端子上的 VTh。接下來,短路負載端子並確定透過短路端子的短路電流 (ISC)。內阻或戴維南等效電阻由下式給出:

$$\mathrm{\mathit{R}_{Th}=\frac{\mathit{V}_{rh}}{\mathit{I}_{sc}}}$$

  • 第二種方法 - 去除負載電阻並在開路負載端子上施加一個直流測試電壓 (VT)。在此期間,保持其他獨立電源失效。由於施加了 VT,直流電流 (IT) 將從負載端子流入電路。源網路的內阻或戴維南等效電阻獲得為:

$$\mathrm{\mathit{R}_{Th}=\frac{\mathit{V}_{T}}{\mathit{I}_{T}}}$$

數值例子

使用戴維南定理,求下圖中 10 Ω 電阻中的電流。已知電池內阻為 2 Ω。

解決方案

步驟 1 – 去除負載電阻並確定負載端子上的開路電壓 (VTh)

這裡,當 10 Ω 電阻被移除時,在 4 Ω 上沒有電壓降,VTh 將是出現在 6 Ω 電阻上的電壓。因此,

$$\mathrm{\mathit{I}=\frac{50}{2+5+6}=\frac{50}{13}=3.846\:A}$$

當 10 Ω 電阻被移除時,在 4 Ω 電阻上沒有電壓降,VTh 將是出現在 6 Ω 電阻上的電壓。因此,

$$\mathrm{\mathit{V}_{Th}=\mathit{I}×6=3.846×6=23.076\:V}$$

步驟 2 – 要找到 RTh,請使所有獨立電源失效。如,

$$\mathrm{\mathit{R}_{xy}=(5+2)||6=\frac{7×6}{7+6}=3.23\:Ω}$$

$$\mathrm{\mathit{R}_{Th}=\mathit{R}_{xy}+4=3.23+4=7.23 \:Ω}$$

步驟 3 – 構造戴維南等效電路並將負載電阻重新連線以計算負載電流,如,

$$\mathrm{\mathit{I}_{L}=\frac{\mathit{V}_{rh}}{\mathit{R}_{rh}+\mathit{R}_{L}}=\frac{23.076}{7.23+10}=1.339\:A}$$

更新於: 2021年6月18日

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