大学电路课件-4剖析

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1、第4章 电路定理 (Circuit Theorems),4.1 叠加定理 (Superposition Theorem),4.2 替代定理 (Substitution Theorem),4.3 戴维宁定理和诺顿定理 (Thevenin-Norton Theorem),4.5 特勒根定理 (Tellegens Theorem),4.6 互易定理 (Reciprocity Theorem),4.7 对偶原理 (Dual Principle),下 页,返 回,4.4 最大功率传输定理,重点:,掌握各定理的内容、适用范围及如何应用。,下 页,上 页,返 回,1. 叠加定理,在线性电路中，任一支路的电流

2、(或电压)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(或电压)的代数和。,4.1 叠加定理 (Superposition Theorem),2 .定理的证明,用结点法：,(G2+G3)un1=iS1+G2us2+G3us3,下 页,上 页,返 回,或表示为：,支路电流为：,下 页,上 页,返 回,结点电压和支路电流均为各电源的一次函数，均 可看成各独立电源单独作用时，产生的响应之叠加。,结论,3. 几点说明,1. 叠加定理只适用于线性电路。,2. 一个电源作用，其余电源为零,电压源为零短路。,电流源为零开路。,三个电源共同作用,is1单独作用,=,下 页,上 页,返 回

3、,+,us2单独作用,us3单独作用,+,3. 功率不能叠加(功率为电压和电流的乘积，为电源的二次函数)。,4. u,i叠加时要注意各分量的参考方向。,5. 含受控源(线性)电路亦可用叠加，但只适用于 独立源，受控源不参与叠加，且始终保留。,下 页,上 页,返 回,4. 叠加定理的应用,例1,求电压U.,12V电源作用：,3A电源作用：,解,下 页,上 页,返 回,例2,求电流源的电压和发出的功率,为两个简单电路,10V电源作用：,2A电源作用：,下 页,上 页,返 回,例3,计算电压u。,说明：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，取决于使分析计算简便。

4、,3A电流源作用：,其余电源作用：,下 页,上 页,返 回,例4,计算电压u电流i。,受控源始终保留,10V电源作用：,5A电源作用：,下 页,上 页,返 回,例5,封装好的电路如图，已知下列实验数据：,解,根据叠加定理，有：,代入实验数据，得：,研究激励和响应关系的实验方法,下 页,上 页,返 回,例6.,采用倒推法：设i=1A。,则,求电流 i 。,RL=2 R1=1 R2=1 us=51V,解,5. 齐性原理（homogeneity property),下 页,上 页,返 回,齐性原理,线性电路中，所有激励(独立源)都增大(或减小)同样的倍数，则电路中响应(电压或电流)也增大(或减小)同

5、样的倍数。,当激励只有一个时，则响应与激励成正比。,可加性(additivity property)。,下 页,上 页,返 回,4. 2 替代定理 (Substitution Theorem),对于给定的任意一个电路，若某一支路电压为uk、电流为ik，那么这条支路就可以用一个电压等于uk的独立电压源，或者用一个电流等于ik的 独立电流源，或用一R=uk/ik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(解答唯一)。,1.替代定理,下 页,上 页,返 回,证毕!,2. 定理的证明,下 页,上 页,返 回,例,求图示电路的支路电压和电流。,解,替代以后有：,替代后各支路电压和电流完全不变。

6、,下 页,上 页,返 回,替代前后KCL,KVL关系相同，其余支路的u、i关系不变。用uk替代后，其余支路电压不变(KVL)，其余支路电流也不变，故第k条支路ik也不变(KCL)。用ik替代后，其余支路电流不变(KCL)，其余支路电压不变，故第k条支路uk也不变(KVL)。,原因,注：,1.替代定理既适用于线性电路，也适用于非线性电路；,3.替代后其余支路及参数不能改变。,2. 替代后电路必须有唯一解；,下 页,上 页,返 回,例1,若要使,试求Rx。,3. 替代定理的应用,解,用替代：,=,+,下 页,上 页,返 回,U=U+U=(0.8-0.6)Ix=0.2Ix,Rx=U/Ix=0.2Ix

7、/Ix=0.2,例2,试求I1。,解,用替代：,下 页,上 页,返 回,例3,已知: uab=0, 求电阻R。,解,用替代：,用结点法：,下 页,上 页,返 回,例4,2V电压源用多大的电阻置换而不影响电路的工作状态。,解,应求电流I，先化简电路。,应用结点法得：,下 页,上 页,返 回,例5,已知: uab=0, 求电阻R。,解,用断路替代，得：,下 页,上 页,返 回,4.3 戴维宁定理和诺顿定理 (Thevenin-Norton Theorem),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

8、源支路(电压源与电阻串联或电流源与电阻并联支路), 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方法。,下 页,上 页,返 回,1. 戴维宁定理,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换；此电压源的电压等于外电路断开时端口处的开路电压uoc，而电阻等于一端口的输入电阻（或等效电阻Req）。,下 页,上 页,返 回,例,(1) 求开路电压Uoc,(2) 求等效电阻Req,下 页,上 页,返 回,2.定理的证明,+,则,A中独立源置零,下 页,上 页,返 回,3.定理的应用,(1) 开路电压Uoc 的计算,等效电阻为将一端口网络

9、内部独立电源全部置零(电压源 短路，电流源开路)后，所得无源一端口网络的输入电阻。 常用下列方法计算：,（2）等效电阻的计算,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Uoc，电压源方向与所求开路电压方向有关。计算 Uoc的方法视电路形式选择前面学过的任意方法，使易于计 算。,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,返 回,(1) 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(伏-安特性等效)。,(2) 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。,注：,例1.,计算Rx分别为1.2、 5.2时的I；,解,保留

10、Rx支路，将其余一端口网络化为戴维宁等效电路：,下 页,上 页,返 回,(1) 求开路电压,Uoc = U1 + U2 = -104/(4+6)+10 6/(4+6) = -4+6=2V,(2) 求等效电阻Req,Req=4/6+6/4=4.8,(3) Rx =1.2时，,I= Uoc /(Req + Rx) =0.333A,Rx =5.2时，,I= Uoc /(Req + Rx) =0.2A,下 页,上 页,返 回,求U0 。,例2.,解,(1) 求开路电压Uoc,Uoc=6I+3I,I=9/9=1A,Uoc=9V,(2) 求等效电阻Req,方法1：加压求流,下 页,上 页,返 回,U0=6

11、I+3I=9I,I=I06/(6+3)=(2/3)I0,U0 =9 (2/3)I0=6I0,Req = U0 /I0=6 ,方法2：开路电压、短路电流,(Uoc=9V),6 I1 +3I=9,I=-6I/3=-2I,I=0,Isc=I1=9/6=1.5A,Req = Uoc / Isc =9/1.5=6 ,独立源置零,独立源保留,下 页,上 页,返 回,(3) 等效电路,计算含受控源电路的等效电阻是用外加电源法还是开路、短路法，要具体问题具体分析，以计算简便为好。,求负载RL消耗的功率。,例3.,解,(1) 求开路电压Uoc,下 页,上 页,返 回,(2) 求等效电阻Req,用开路电压、短路电

12、流法,下 页,上 页,返 回,已知开关S,例4.,求开关S打向3，电压U等于多少,解,下 页,上 页,返 回,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导(电阻)的并联组合来等效置换；电流源的电流等于该一端口的短路电流，而电导(电阻)等于把该一端口的全部独立电源置零后的输入电导(电阻)。,4. 诺顿定理,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宁定理类似的方法证明。证明过程从略。,下 页,上 页,返 回,例1,求电流I 。,(1) 求短路电流Isc,I1 =12/2=6A,I2=(24+12)/10=3.6A,Isc=-I1-I2=- 3.

13、6-6=-9.6A,解,(2) 求等效电阻Req,Req =10/2=1.67 ,(3) 诺顿等效电路:,应用分流公式,I =2.83A,下 页,上 页,返 回,例2,求电压U。,(1) 求短路电流Isc,解,本题用诺顿定理求比较方便。因a、b处的短路电流比开路电压容易求。,(2) 求等效电阻Req,(3) 诺顿等效电路:,下 页,上 页,返 回,4.4 最大功率传输定理,一个含源线性一端口电路，当所接负载不同时，一端口电路传输给负载的功率就不同，讨论负载为何值时能从电路获取最大功率，及最大功率的值是多少的问题是有工程意义的。,下 页,上 页,返 回,最大功率匹配条件,对P求导：,下 页,上

14、页,返 回,例,RL为何值时其上获得最大功率，并求最大功率。,(1) 求开路电压Uoc,(2) 求等效电阻Req,下 页,上 页,返 回,(3) 由最大功率传输定理得:,时其上可获得最大功率,注,最大功率传输定理用于一端口电路给定, 负载电阻可调的情况;,一端口等效电阻消耗的功率一般并不等于 端口内部消耗的功率,因此当负载获取最大 功率时,电路的传输效率并不一定是50%;,计算最大功率问题结合应用戴维宁定理 或诺顿定理最方便.,下 页,上 页,返 回,4.5 特勒根定理 (Tellegens Theorem),1. 特勒根定理1,任何时刻，对于一个具有n个结点和b条支路的集总电路，在支路电流和

15、电压取关联参考方向下，满足:,功率守恒,定理证明：,表明任何一个电路的全部支路吸收的功率之和恒等于零。,下 页,上 页,返 回,应用KCL:,支路电压用结点电压表示,下 页,上 页,返 回,2. 特勒根定理2,任何时刻，对于两个具有n个结点和b条支路的集总电路，当它们具有相同的图，但由内容不同的支路构成，在支路电流和电压取关联参考方向下，满足:,拟功率定理,下 页,上 页,返 回,定理证明：,对电路2应用KCL:,下 页,上 页,返 回,例1,(1) R1=R2=2, Us=8V时, I1=2A, U2 =2V,(2) R1=1.4 , R2=0.8, Us=9V时, I1=3A,求此时的U2

16、 。,解,把（1）、（2）两种情况看成是结构相同，参数不同的两个电路，利用特勒根定理2,由(1)得：U1=4V, I1=2A, U2=2V, I2=U2/R2=1A,下 页,上 页,返 回,例2.,解,已知： U1=10V, I1=5A, U2=0, I2=1A,下 页,上 页,返 回,应用特勒根定理需注意：,（1）电路中的支路电压必须满足KVL;,（2）电路中的支路电流必须满足KCL;,（3）电路中的支路电压和支路电流必须满足关联参考方向； （否则公式中加负号）,（4）定理的正确性与元件的特征全然无关。,下 页,上 页,返 回,4. 6 互易定理 (Reciprocity Theorem),互易性是一类特殊的线性网络的重要性质。一个具有互易性的网络在输入端（激励）与输出端（响应）互换位置后，同一激励所产生的响应并不改变。具有互易性的网络叫互易网络，互易定理是对电路的这种性质所进行的概括，它广泛的应用于网络的灵敏度分析和测量技术等方面。,1. 互