天津理工大学 电路第四章

1、第第4 4章章 电路定理电路定理首首 页页本章重点本章重点叠加定理叠加定理4.1替代定理替代定理4.2戴维宁定理和诺顿定理戴维宁定理和诺顿定理4.3最大功率传输定理最大功率传输定理4.4特勒根定理特勒根定理4.5*互易定理互易定理4.6*对偶原理对偶原理4.7*l 重点重点: : 熟练掌握各定理的内容、适用范围熟练掌握各定理的内容、适用范围及如何应用。及如何应用。 重点掌握叠加定理、戴文宁定理、重点掌握叠加定理、戴文宁定理、最大功率传输定理。最大功率传输定理。返 回1 1. . 叠加定理叠加定理 在线性电路中，任一支路的在线性电路中，任一支路的电流电流( (或电压或电压) )可以看成是电路中每

2、一个独立电源可以看成是电路中每一个独立电源单独作用于电路时，在该支路产生的电流单独作用于电路时，在该支路产生的电流( (或电压或电压) )的代数和。的代数和。4.1 叠加定理叠加定理2 .2 .定理的证明定理的证明应用结点法：应用结点法：(G2+G3)un1=G2us2+G3us3+iS1下 页上 页返 回G1is1G2us2G3us3i2i3+1321323332221GGiGGuGGGuGuSSSn或表示为：或表示为：)3(1)2(1)1(13322111 nnnSsSnuuuuauaiau支路电流为：支路电流为：)3(3)2(3) 1 (33213333232232233313 )()(

3、)(iiiGGiGuGGGGuGGGGGuuiSSSSn)3(2)2(2) 1 (2332211321232323232232212 )()(iiiububibGGiGGGuGGuGGGGGuuiSSSSSSSn下 页上 页G1is1G2us2G3us3i2i3+1返 回 结点电压和支路电流均为结点电压和支路电流均为各独立电各独立电源单独作用时，产生的响应之叠加。源单独作用时，产生的响应之叠加。 3. 3. 几点说明几点说明叠加定理只适用于线性电路。叠加定理只适用于线性电路。一个电源作用，其余电源为零一个电源作用，其余电源为零: :电压源为零电压源为零 短路。短路。电流源为零电流源为零 开路。

4、开路。下 页上 页结论返 回三个电源共同作用三个电源共同作用is1单独作用单独作用= =下 页上 页+us2单独作用单独作用us3单独作用单独作用+G1G3us3+)3(2i)3(3iG1G3)2(3i)2(2ius2+G1is1G2us2G3us3i2i3+) 1(2i) 1 (3iG1is1G2G3返 回求求电压和电流能用叠加定理，求电压和电流能用叠加定理，求功率不能用叠功率不能用叠加定理（要用总电压和总电流）。加定理（要用总电压和总电流）。 u, i 叠加时要注意各分量的参考方向。叠加时要注意各分量的参考方向。含受控源含受控源( (线性线性) )电路亦可用叠加，但受控源应电路亦可用叠加，

5、但受控源应始终保留。始终保留。下 页上 页4. 4. 叠加定理的应用叠加定理的应用求电压源的电流及功率求电压源的电流及功率例例142A70V1052+I解解画出分电路图画出分电路图返 回2A电流源作用：电流源作用： 电桥平衡（电桥平衡（R1R4=R2R3）：）：0)1(I70V电压源作用：电压源作用：A157/7014/70)2(IA15)2()1(III下 页上 页I (1)42A1052470V1052+I (2）两个简单电路两个简单电路1050W1570P应用叠加定理使计算简化应用叠加定理使计算简化返 回例例2计算电压计算电压u3A电流源作用：电流源作用：下 页上 页解解u12V2A13

6、A366V画出分电路图画出分电路图u(2)i (2)12V2A1366V13A36u(1)V93) 13/6()1(u其余电源作用：其余电源作用：A2)36/()126()2(iV81266)2()2( iuV1789)2() 1 (uuu返 回 叠加方式是任意的，可以一次一个独立叠加方式是任意的，可以一次一个独立源单独作用，也可以一次几个独立源同时作用，源单独作用，也可以一次几个独立源同时作用，取决于使分析计算简便。取决于使分析计算简便。下 页上 页注意例例3计算电压计算电压u、电流电流i。解解画出分电路图画出分电路图u（1）10V2i(1)12i（1）受控源始终保留受控源始终保留u10V2

7、i1i25Au(2)2i (2)i (2)125A返 回 ) 12/()210()1()1(iiV6321)1()1()1()1(iiiuA2)1(i10V电源作用：电源作用：下 页上 页u（1）10V2i(1)12i（1）5A电源作用：电源作用： 02)5(12)2()2()2(iiiA1)2(iV2) 1(22)2()2(iuV826uA1) 1(2iu(2)2i (2)i (2)125A返 回例例4封装好的电路如图，已知下列实验数据：封装好的电路如图，已知下列实验数据：A2 A 1 ,V1 iiuSS响应响应时时当当，？，iiuSS A 5 ,V3 响应响应时时求求下 页上 页研究激研究

8、激励和响励和响应关系应关系的实验的实验方法方法1A 2A ,V1 iiuSS响应响应时时当当，解解根据叠加定理根据叠加定理SSikuki21代入实验数据：代入实验数据：221 kk1221kk1121kkA253SSiui无源无源线性线性网络网络uSiiS返 回5.5.齐性定理齐性定理下 页上 页线性电路中，所有激励线性电路中，所有激励( (独立源独立源) )都增大都增大( (或减或减小小) )同样的倍数，则电路中响应同样的倍数，则电路中响应( (电压或电流电压或电流) )也增也增大大( (或减小或减小) )同样的倍数。同样的倍数。当激励只有一个时，则响应与激励成正比。当激励只有一个时，则响应

9、与激励成正比。注意返 回iR1R1R1R2RL+usR2R2例例采用倒退法：设采用倒退法：设 i=1A则则求电流求电流 iRL=2 R1=1 R2=1 us=51V，+2V2A+3V+8V+21V+us=34V3A8A21A5A13Ai =1AA5 . 113451 ssKiiuuiiK即即解解下 页上 页返 回4.2 4.2 替代定理替代定理 对于给定的任意一个电路，若某一支路电对于给定的任意一个电路，若某一支路电压为压为uk、电流为、电流为ik，那么这条支路就可以用一个，那么这条支路就可以用一个电压等于电压等于uk的独立电压源，或者用一个电流等于的独立电压源，或者用一个电流等于ik的独立电

10、流源，或用的独立电流源，或用R=uk/ik的电阻来替代，替的电阻来替代，替代后电路中全部电压和电流均保持原有值代后电路中全部电压和电流均保持原有值( (解答解答唯一唯一) )。 1. 1.替代定理替代定理下 页上 页返 回支支路路 k ik+uk+uk下 页上 页ik+ukR=uk/ikik返 回Nik+uk支支路路 k N+uk证毕证毕! 2. 2. 定理的证明定理的证明下 页上 页ukukNik+uk支支路路k +uk返 回例例求图示电路的支路电压和电流求图示电路的支路电压和电流解解A10 10/)105(5/1101iA65/312 iiA45/213 iiV60102iu替替代代替代以

11、后有：替代以后有：A105/ )60110(1iA415/603i替代后各支路电压和电流完全不变。替代后各支路电压和电流完全不变。下 页上 页i31055110V10i2i1u注意i31055110Vi2i1返 回 替代前后替代前后KCL、KVL关系相同，其余支路关系相同，其余支路的的u、i关系不变。用关系不变。用uk替代后，其余支路电压不变替代后，其余支路电压不变(KVL)，其余支路电流也不变，故第其余支路电流也不变，故第k条支路条支路ik也不也不变变(KCL)。用。用ik替代后，其余支路电流不变替代后，其余支路电流不变(KCL)，其余支路电压不变，故第其余支路电压不变，故第k k条支路条支

12、路uk也不变也不变(KVL)。原因原因替代定理既适用于线性电路，也适用于非线替代定理既适用于线性电路，也适用于非线性电路。性电路。下 页上 页注意返 回替代后其余支路及参数不能改变。替代后其余支路及参数不能改变。替代后电路必须有唯一解。替代后电路必须有唯一解。无电压源回路；无电压源回路；无电流源结点无电流源结点( (含广义结点含广义结点) )。1.5A2.5A1A下 页上 页注意10V 5V2510V 5V22.5A5V+？返 回例例1若使若使试求试求Rx,81IIx3. 3. 替代定理的应用替代定理的应用解解先用叠加定理求出先用叠加定理求出U，然后用替代定然后用替代定理求出理求出Rx=U/I

13、x。=+下 页上 页+U0.50.51I0.50.50.50.51I81U+0.50.510V31RxIx+UI0.50.50.51I0.5I81返 回IIIU1 .05 .05 .25 .115 .21IIU075. 01815 . 25 . 1 下 页上 页U=U+U=(0.1-0.075)I=0.025IRx=U/0.125I=0.025I/0.125I=0.2+U0.50.51I0.50.50.50.51I81U+返 回例例2已知已知: :uab=0, 求电阻求电阻R解解 用替代：用替代：A1033abIIu用结点法：用结点法：14201)4121( aau点点V8bauuA11IA2

14、11R IIV12820bCRuuu6212R下 页上 页R83V4b2+a20V3IV20CuR84b2+a20V1AcI1IR返 回4.3 4.3 戴维宁定理和诺顿定理戴维宁定理和诺顿定理工程实际中，常常碰到只需研究某一支路的电工程实际中，常常碰到只需研究某一支路的电压、电流或功率的问题。对所研究的支路来说，电压、电流或功率的问题。对所研究的支路来说，电路的其余部分就成为一个有源二端网络，可等效变路的其余部分就成为一个有源二端网络，可等效变换为较简单的含源支路换为较简单的含源支路( (电压源与电阻串联或电流电压源与电阻串联或电流源与源与电阻并联支路电阻并联支路), ), 使分析和计算简化。

15、戴维宁使分析和计算简化。戴维宁定理和诺顿定理正是给出了等效含源支路及其计算定理和诺顿定理正是给出了等效含源支路及其计算方法。方法。下 页上 页返 回1. 1. 戴维宁定理戴维宁定理任何一个线性含源一端口网络，对外电路来说，任何一个线性含源一端口网络，对外电路来说，总可以用一个电压源和电阻的串联组合来等效置总可以用一个电压源和电阻的串联组合来等效置换；此电压源的电压等于外电路断开时端口处的换；此电压源的电压等于外电路断开时端口处的开路电压开路电压uoc，而电阻等于一端口的输入电阻（或，而电阻等于一端口的输入电阻（或等效电阻等效电阻Req）。）。下 页上 页abiu+-NiabReqUoc+-u+

16、-返 回例例下 页上 页1010+20V+Uocab+10V1A52A+Uocab515VabReqUoc+-1.1.应用电源等效变换应用电源等效变换返 回I例例(1) 求开路电压求开路电压Uoc(2) 求等效电阻求等效电阻ReqA5 . 0201020 I510/10 eqRV1510105 . 0 ocU下 页上 页1010+20V+Uocab+10V515VabReqUoc+-2. .应用戴维宁定理应用戴维宁定理 两种解法结果一致，戴两种解法结果一致，戴维宁定理更具普遍性。维宁定理更具普遍性。注意返 回2.2.定理的证明定理的证明+替代替代叠加叠加下 页上 页abi+uMNuab+Noc

17、uu iRueq abi+uN0uabi+NReq返 回i+uMabReqUoc+-iRuuuueqoc 3.3.定理的应用定理的应用（1 1）开路电压）开路电压Uoc 的计算的计算 等效电阻为将一端口网络内部独立电源全等效电阻为将一端口网络内部独立电源全部置零部置零( (电压源短路，电流源开路电压源短路，电流源开路) )后，所得无源后，所得无源一端口网络的输入电阻。常用下列方法计算：一端口网络的输入电阻。常用下列方法计算：（2 2）等效电阻）等效电阻Req的计算的计算 戴维宁等效电路中电压源电压等于将外电戴维宁等效电路中电压源电压等于将外电路断开时的开路电压路断开时的开路电压Uoc，电压源方

18、向与所求开，电压源方向与所求开路电压方向有关。计算路电压方向有关。计算Uoc的方法视电路形式选的方法视电路形式选择前面学过的任意方法，使易于计算。择前面学过的任意方法，使易于计算。下 页上 页返 回2 23 3方法更有一般性。方法更有一般性。当网络内部不含有受控源时可采用电阻串并联当网络内部不含有受控源时可采用电阻串并联和和Y互换的方法计算等效电阻；互换的方法计算等效电阻；开路电压、短路电流法。开路电压、短路电流法。外加电源法（加电压求电流或加电流求电压）；外加电源法（加电压求电流或加电流求电压）；iuReq scoceqiuR 下 页上 页uabi+N0ReqiabReqUoc+-u+-ab

19、ui+N0Req返 回 外电路可以是任意的线性或非线性电路，外电路外电路可以是任意的线性或非线性电路，外电路发生改变时，含源一端口网络的等效电路不变发生改变时，含源一端口网络的等效电路不变( (伏伏- -安特性等效安特性等效) )。 当一端口内部含有受控源时，控制电路与受控当一端口内部含有受控源时，控制电路与受控源必须包含在被化简的同一部分电路中。源必须包含在被化简的同一部分电路中。下 页上 页注意例例1 计算计算Rx分别为分别为1 1.2、5.2时的电流时的电流IIRxab+10V4664解解断开断开Rx支路，将剩余支路，将剩余一端口网络化为戴维一端口网络化为戴维宁等效电路：宁等效电路：返

20、回求等效电阻求等效电阻ReqReq=4/6+6/4=4.8 戴文宁等效电路戴文宁等效电路 Rx =1.2时时：I= Uoc /(Req + Rx) =0.333ARx =5.2时时：I= Uoc /(Req + Rx) =0.2A下 页上 页Uoc = U1 - U2 = 10 6/(4+6) -104/(4+6) = 6-4=2V求开路电压求开路电压Uocb+10V4664+-UocIabUoc+RxReq+ U1 -+ U2-b4664+-Uoc返 回求电压求电压U0例例2解解求开路电压求开路电压UocUoc=6I+3II=9/9=1AUoc=9V求等效电阻求等效电阻Req方法方法1 1：

21、加压求流：加压求流下 页上 页336I+9V+U0+6I36I+9V+U0C+6I36I+U+6II0独立源置零独立源置零U=6I+3I=9II=I06/(6+3)=(2/3)I0U =9 (2/3)I0=6I0Req = U /I0=6 返 回方法方法2 2：开路电压、短路电流：开路电压、短路电流(Uoc=9V)6 I1 +3I=96I+3I=0I=0Isc=I1=9/6=1.5AReq = Uoc / Isc =9/1.5=6 独立源保留独立源保留下 页上 页36I+9V+6IIscI1U0+-+-69V3戴文宁等效电路戴文宁等效电路V333690U返 回 计算含受控源电路的等效电阻是用外

22、加计算含受控源电路的等效电阻是用外加电源法还是用开路、短路法，要具体问题具体分电源法还是用开路、短路法，要具体问题具体分析，以计算简便为好。析，以计算简便为好。求求负载负载RL消耗的功率消耗的功率例例3解解求开路电压求开路电压Uoc下 页上 页注意10050+40VRL+50VI14I150510050+40VI14I150返 回A1 . 01IV101001ocIU求等效电阻求等效电阻Req用开路电压、短路电流法用开路电压、短路电流法A4 . 0100/40scI254 . 0/10scoceqIUR下 页上 页10050+40VI150200I1+Uoc+Isc10050+40VI1502

23、00I1+40100200100111IIIIsc50+40V50返 回已知开关已知开关S例例41 A 2A2 V 4V 求开关求开关S打向打向3，电压，电压U等于多少。等于多少。解解V4A 2ocScUi2eqRV1141)52(U下 页上 页UocReq550VIL+10V25A2306052550ocLUIW204552LLIPAV5U+S1321A线性线性含源含源网络网络+-5U+1A24V+返 回任何一个含源线性一端口电路，对外电路来说，任何一个含源线性一端口电路，对外电路来说，可以用一个电流源和电阻的并联组合来等效置换；可以用一个电流源和电阻的并联组合来等效置换；电流源的电流等于该

24、一端口的短路电流，电阻等电流源的电流等于该一端口的短路电流，电阻等于该一端口的输入电阻。于该一端口的输入电阻。4. 4. 诺顿定理诺顿定理一般情况，诺顿等效电路可由戴维宁等效电路一般情况，诺顿等效电路可由戴维宁等效电路经电源等效变换得到。诺顿等效电路可采用与戴维经电源等效变换得到。诺顿等效电路可采用与戴维宁定理类似的方法证明。宁定理类似的方法证明。下 页上 页abiu+-NabReqIsc注意返 回例例1求电流求电流I求短路电流求短路电流IscI1 =12/2=6A I2=(24+12)/10=3.6AIsc=-I1-I2=- 3.6-6=-9.6A解解求等效电阻求等效电阻ReqReq =10

25、/2=1.67 诺顿等效电路诺顿等效电路: :应用分应用分流公式流公式I =2.83A下 页上 页12V210+24V4I+Isc12V210+24V+Req210I1 I24I-9.6A1.67返 回例例2求电压求电压U求短路电流求短路电流Isc解解 本题用诺顿定理求比较方便。因本题用诺顿定理求比较方便。因a、b处的短处的短路电流比开路电压容易求。路电流比开路电压容易求。下 页上 页ab36+24V1A3+U666A363366/3242136/624scIIscab36+24V3666返 回 466/3/63/6eqR下 页上 页求等效电阻求等效电阻Reqab363666Req诺顿等效电路诺顿等效电路: :V164) 13(UIscab1A4U3A返 回下 页上 页若一端口网络的等效电阻若一端口网络的等效电阻 Req= 0，该该一端口网一端口网络只有戴维宁等效电路，无诺顿等效电路。络只有戴维宁等效电路，无诺顿等效电路。注意若一端口网络的等效电阻若一端口网络的等效电阻 Req=，该该一端口网一端口网络只有诺顿等效电路，无戴维宁等效电路。络只有诺顿等效电路，无戴维宁等效电路。abNReq=0UocabNReq=Isc返 回4.