电路原理第五版第四章.ppt
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1、第第4 4章章 电路定理电路定理 (Circuit Theorems)4.1 4.1 叠加定理叠加定理(Superposition Theorem)4.2 4.2 替代定理替代定理(Substitution Theorem)4.3 4.3 戴维宁定理和诺顿定理戴维宁定理和诺顿定理 (Thevenin-Norton Theorem)4.4 4.4 特勒根定理特勒根定理(Tellegens Theorem)4.5 4.5 互易定理互易定理(Reciprocity Theorem)4.6 4.6 对偶原理对偶原理(Dual Principle)l 重点重点:掌握各定理的内容、适用范围及掌握各定理的内
2、容、适用范围及如何应用;如何应用;1.叠加定理叠加定理在在线线性性电电路路中中,任任一一支支路路的的电电流流(或或电电压压)可可以以看看成成是是电电路路中中每每一一个个独独立立电电源源单单独独作作用用于于电电路路时时,在在该该支支路路产生的电流产生的电流(或电压或电压)的代数和。的代数和。4.1 4.1 叠加定理叠加定理 (Superposition TheoremSuperposition Theorem)2.2.定理的证明定理的证明R1is1R2us2R3us3i2i3+1用结点法:用结点法:(G2+G3)un1=G2 2us2+G3 3us3+iS1R1is1R2us2R3us3i2i3
3、+1或表示为:或表示为:支路电流为:支路电流为:结点电压和支路电流均为各电源的一次函数,结点电压和支路电流均为各电源的一次函数,均均可看成各独立电源单独作用时,产生的响应之叠加。可看成各独立电源单独作用时,产生的响应之叠加。结论结论3.3.几点说明几点说明1.1.叠加定理只适用于线性电路。叠加定理只适用于线性电路。2.2.一个电源作用,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。开路。R1is1R2us2R3us3i2i3+1三个电源共同作用三个电源共同作用R1is1R2R31is1单独作用单独作用=+us2单独作用单独作用us3单独作用单独
4、作用+R1R2us2R3+1R1R2us3R3+13.3.功率不能叠加功率不能叠加(功率为电压和电流的乘积,为电源的功率为电压和电流的乘积,为电源的二次函数二次函数)。4.4.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。5.5.含受控源含受控源(线性线性)电路亦可用叠加,但叠加只适用于电路亦可用叠加,但叠加只适用于 独立源,受控源应始终保留。独立源,受控源应始终保留。4.4.叠加定理的应用叠加定理的应用例例1求电压求电压U.8 12V3A+6 3 2+U8 3A6 3 2+U(2)8 12V+6 3 2+U(1)画出分画出分电路图电路图12V电源作用:电源作用:3A电源作
5、用:电源作用:解解例例210V2Au2 3 3 2 求电流源的电压和发出求电流源的电压和发出的功率的功率10VU(1)2 3 3 2 2AU(2)2 3 3 2 画出分画出分电路图电路图为两个简为两个简单电路单电路10V电源作用:电源作用:2A电源作用:电源作用:例例3u12V2A1 3A3 6 6V计算电压计算电压u。画出分画出分电路图电路图1 3A3 6 u(1)12V2A1 3 6 6Vu(2)i(2)说明:叠加方式是任意的,可以一次一个独立源单独作用,也说明: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,取决于分析计算简便。可以一次几个独立源同时作用,取决
6、于分析计算简便。3A电流源作用:电流源作用:其余电源作用:其余电源作用:例例4计算电压计算电压u电流电流i。画出分画出分电路图电路图u(1)10V2i(1)1 2 i(1)u10V2i1 i2 5Au(2)2i(2)1 i(2)2 5A受控源始受控源始终保留终保留10V电源作用:电源作用:5A电源作用:电源作用:例例5无源无源线性线性网络网络uSiiS 封装好的电路如图,已知下封装好的电路如图,已知下列实验数据:列实验数据:解解 根据叠加定理,有:根据叠加定理,有:代入实验数据,得:代入实验数据,得:研研究究激激励励和和响响应应关关系系的的实实验验方方法法例例6.6.采用倒推法:设采用倒推法:
7、设i=1A。则则求电流求电流 i。RL=2 R1=1 R2=1 us=51V+2V2A+3V+8V+21V+us=34V3A8A21A5A13AiR1R1R1R2RL+usR2R2i=1A解解5.5.齐性原理齐性原理(homogeneity property)齐性原理齐性原理线线性性电电路路中中,所所有有激激励励(独独立立源源)都都增增大大(或或减减小小)同同样样的的倍倍数数,则则电电路路中中响响应应(电电压压或或电电流流)也也增增大大(或或减减小小)同同样样的倍数。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,则响应与激励成正比。可加性可加性(additivity prop
8、erty)。4.2 4.2 替代定理替代定理(Substitution TheoremSubstitution Theorem)对对于于给给定定的的任任意意一一个个电电路路,若若某某一一支支路路电电压压为为uk、电电流流为为ik,那那么么这这条条支支路路就就可可以以用用一一个个电电压压等等于于uk的的独独立立电电压压源源,或或者者用用一一个个电电流流等等于于ik的的独独立立电电流流源源,或或用用一一R=uk/ik的的电电阻阻来来替替代代,替替代代后后电电路路中中全全部部电电压压和电流均保持原有值和电流均保持原有值(解答唯一解答唯一)。ik 1.1.替代定理替代定理支支路路 k ik+uk+uk
9、ik+ukR=uk/ikAik+uk支支路路 k A+ukukukukAik+uk 支支路路 k 证毕证毕!2.2.定理的证明定理的证明例例求图示电路的支路电压求图示电路的支路电压和电流。和电流。i310 5 5 110V10 i2i1u解解替替代代i310 5 5 110Vi2i160V替代以后有:替代以后有: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。替替代代前前后后KCL,KVL关关系系相相同同,其其余余支支路路的的u、i关关系系不不变变。用用uk替替代代后后,其其余余支支路路电电压压不不变变(KVL),其其余余支支路路电电流流也也不不变变,故故第第k条条支支路路ik
10、也也不不变变(KCL)。用用ik替替代代后后,其其余余支支路路电电流流不不变变(KCL),其其余余支支路路电电压压不不变变,故故第第k条条支支路路uk也不变也不变(KVL)。原因原因注:注:1.1.替代定理既适用于线性电路,也适用于非线性电路。替代定理既适用于线性电路,也适用于非线性电路。3.3.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。2.2.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;无电流源节点无电流源节点(含广义节点含广义节点)。1.5A1.5A10V5V2 5 2.5A1A 5V+?例例1 1若要使若要使试求试求Rx。3.3.替代定理的应
11、用替代定理的应用0.5 0.5+10V3 1 RxIx+UI0.5 解解用替代:用替代:=+0.5 0.5 1+UI0.5 0.5 0.5 1+UI0.5 0.5 0.5 1+U0.5(用分流公式用分流公式)U=U+U=(0.8-0.6)Ix=0.2IxRx=U/Ix=0.2Ix/Ix=0.2 0.5 0.5+10V3 1 RxIx+UI0.5 例例2 2试求试求I1。解解用替代:用替代:6 5+7V3 6 I1+1 2+6V3V4A4 2 4 4A7VI1I1IRR8 3V4 b2+a20V3 I例例3 3已知已知:uab=0,求电阻求电阻R。c1A解解用替代:用替代:用结点法:用结点法:u
12、R例例4 42V电压源用多大的电阻置换而不影响电路的工作状态。电压源用多大的电阻置换而不影响电路的工作状态。4 4V10 3A2+2V2 10 解解0.5AII110V2+2V2 5 1应求电流应求电流I,先化简电路。先化简电路。应用结点法得:应用结点法得:例例5 5已知已知:uab=0,求电阻求电阻R。解解用断路替代,得:用断路替代,得:短路替代:短路替代:4 42V30 0.5A60 25 10 20 40 badcR1AuRiR4.3 4.3 戴维宁定理和诺顿定理戴维宁定理和诺顿定理(Thevenin-Norton TheoremThevenin-Norton Theorem)工工程程实
13、实际际中中,常常常常碰碰到到只只需需研研究究某某一一支支路路的的电电压压、电电流流或或功功率率的的问问题题。对对所所研研究究的的支支路路来来说说,电电路路的的其其余余部部分分就就成成为为一一个个有有源源二二端端网网络络,可可等等效效变变换换为为较较简简单单的的含含源源支支路路(电电压压源源与与电电阻阻串串联联或或电电流流源源与与电电阻阻并并联联支支路路),使使分分析析和和计计算算简简化化。戴戴维维宁宁定定理理和和诺诺顿顿定定理理正正是是给给出出了了等等效效含含源源支支路路及及其其计计算算方法。方法。1.1.戴维宁定理戴维宁定理任任何何一一个个线线性性有有源源二二端端网网络络,对对外外电电路路来
14、来说说,总总可可以以用用一一个个电电压压源源和和电电阻阻的的串串联联组组合合来来等等效效置置换换;此此电电压压源源的的电电压压等等于于外外电电路路断断开开时时端端口口处处的的开开路路电电压压uoc,而而电电阻阻等于二端网络的输入电阻(或等效电阻等于二端网络的输入电阻(或等效电阻Req)。)。AabiuiabReqUoc+-u2.2.定理的证明定理的证明+abAi+uNiUoc+uNab+ReqabAi+uabA+uabPi+uReq则则替代替代叠加叠加A中中独独立立源源置置零零3.3.定理的应用定理的应用(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部置零等效
15、电阻为将一端口网络内部独立电源全部置零(电压源电压源短路,电流源开路短路,电流源开路)后,所得无源一端口网络的输入电阻。后,所得无源一端口网络的输入电阻。常用下列方法计算:常用下列方法计算:(2)等效电阻的计算)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电压Uoc,电压源方向与所求开路电压方向有关。计算,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,使易于计的方法视电路形式选择前面学过的任意方法,使易于计算。算。23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
16、阻串并联和当网络内部不含有受控源时可采用电阻串并联和Y 互换的方法计算等效电阻;互换的方法计算等效电阻;1开路电压,短路电流法。开路电压,短路电流法。3外加电源法(加压求流或加流求压)。外加电源法(加压求流或加流求压)。2abPi+uReqabPi+uReqiSCUocab+Req(1)(1)外外电电路路可可以以是是任任意意的的线线性性或或非非线线性性电电路路,外外电电路路发发生生改改变变时时,含含源源一一端端口口网网络络的的等等效效电电路路不不变变(伏伏-安特性等效安特性等效)。(2)(2)当当一一端端口口内内部部含含有有受受控控源源时时,控控制制电电路路与与受受控控源源必须包含在被化简的同
17、一部分电路中。必须包含在被化简的同一部分电路中。注:注:例例1.1.计算计算Rx分别为分别为1.2、5.2 时的时的I;IRxab+10V4 6 6 4 解解提取提取Rx支路,将其余一端口支路,将其余一端口网络化为戴维宁等效电路:网络化为戴维宁等效电路:ab+10V4 6 6+U24+U1IRxIabUoc+RxReq(1)求开路电压求开路电压Uoc=U1+U2 =-10 4/(4+6)+10 6/(4+6)=-4+6=2V+Uoc_(2)求等效电阻求等效电阻ReqReq=4/6+6/4=4.8(3)Rx=1.2 时,时,I=Uoc/(Req+Rx)=0.333ARx=5.2 时,时,I=Uo
18、c/(Req+Rx)=0.2A求求U0。3 3 6 I+9V+U0ab+6I例例2.解解(1)求开路电压求开路电压UocUoc=6I+3II=9/9=1AUoc=9V+UocU0=6I+3I=9II0=I+1/2I=3/2IReq=U0/I0=6 3 6 I+U0ab+6II0独立源置零独立源置零(2)求等效电阻求等效电阻Req方法方法1:加压求流:加压求流(3)等效电路等效电路abUoc+Req3 U0-+6 9V 计算含受控源电路的等效电阻是用外加电源法还是开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。路、短路法,要具体问题具体分析,以计算
19、简便为好。方法方法2:开路电压、短路电流:开路电压、短路电流(Uoc=9V)6 I1+3I=93I=-6II=0Isc=I1=9/6=1.5AReq=Uoc/Isc=9/1.5=6 3 6 I+9VIscab+6II1独立源保留独立源保留求负载求负载RL消耗的功率。消耗的功率。例例3.100 50+40VRLab+50VI14I150 5 解解(1)求开路电压求开路电压Uoc100 50+40VabI14I150+Uoc100 50+40VabI1200I150+Uoc+100 50+40VabI1200I150+Uoc+(2)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
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