戴維南定理(Thevenin's Theorem),也稱為等效電壓源定律,是由法國科學家萊昂·夏爾·戴維南于1883年提出的一個電學定理,一個含有獨立電壓源、獨立電流源及電阻的線性網絡的兩端,在電學上可以用一個獨立電壓源V和一個松弛二端網絡的串聯電阻組合來等效。
戴維南定理在單頻交流系統中,此定理不僅適用于電阻,也適用于廣義的阻抗。該電路模型稱為戴維南等效電路。此定理在多電源多回路的復雜直流電路分析中有重要應用。
基本概念
1883年,法國科學家L·C·戴維南提出的一個電學定理,即戴維南定理(又譯為戴維寧定理)也稱等效電壓源定律。但該定律在1853年,赫爾曼·馮·亥姆霍茲也提出過本定理,所以又稱亥姆霍茲-戴維南定理。其內容是:一個含有獨立電壓源、獨立電流源及電阻的線性網絡的兩端,就其外部型態而言,在電性上可以用一個獨立電壓源V和一個松弛二端網絡的串聯電阻組合來等效。在單頻交流系統中,此定理不僅只適用于電阻,也適用于廣義的阻抗。此定理在多電源多回路的復雜直流電路分析中有重要應用。
戴維南定理提供了一種化簡含源電阻電路的方法。定理首先陳述了這樣一個結論:P在一般情況下,由線性電阻、線性受控源和獨立源組成的線性單口電路,都可化簡為一個獨立電壓源與一個電阻串聯的電路形式,我們把這種形式也叫作戴維南等效電路。也就是說,不同單口含源電阻電路的最簡等效電路形式都一樣,區別僅是元件參數不同。因此,找最簡等效電路的工作就歸結為求元件參數U0c和R0。隨后,定理給出了一種求這兩個元件參數的方法。
戴維南定理指出,等效二端網絡的電動勢等于二端網絡開路時的電壓,它的串聯內阻抗等于網絡內部各獨立源和電容電壓、電感電流都為零時,從這二端看向網絡的阻抗。設二端網絡N中含有獨立電源和線性時不變二端元件(電阻器、電感器、電容器),這些元件之間可以有耦合,即可以有受控源及互感耦合;網絡N的兩端a、b接有負載阻抗Z(S),但負載與網絡N內部諸元件之間沒有耦合,U(S)=Z(S)I(S)。當網絡N中所有獨立電源都不工作(例如將獨立電壓源用短路代替,獨立電流源用開路代替),所有電容電壓和電感電流的初始值都為零的時候,可把這二端網絡記作N0。這樣,負載阻抗Z(S)中的電流I(S)一般就可以按下式計算:
式中E(S)為二端網絡N的開路電壓,亦即Z(S)是無窮大時的電壓U(S);Zi(S)為二端網絡N0呈現的阻抗;S是由單邊拉普拉斯變換引進的復變量。
戴維南定理可推廣到含有線性時變元件的二端網絡。
諾頓定理
1926年,戴維南定理出現43年后,在貝爾電話實驗室工作的美國工程師諾頓(E.L.Norton)針對交流電路提出了諾頓定理。而在同年同月,德國的梅耶(H.F.Mayer)針對直流電路也發表了同樣定理的論文,但當時未被人們所知。
諾頓定理陳述了具有唯一解的線性單口含源電阻電路N,它對外電路的作用可用一個實際電流源來等效。電流源的電流i等于電路N的端口短路電流;并聯電阻R0等于電路N中所有獨立源置零時端口的等效電阻。
不難理解,如果一個線性單口含源電路能等效為實際電壓源,那么利用電源的等效變換,該電路也一定能等效為實際電流源,即存在諾頓等效電路。由定理可知,求諾頓等效電路內阻R0的方法與前述戴維南定理一樣。
應用
戴維南定理可用來簡化有源二端網絡,是常用的電路定理之一。例如,僅需計算電路中某一支路的電壓和電流時,可將該支路以外的其他部分用戴維南等效電路替代,有時則很方便。如圖1a中,若負載Z是可變的,則利用戴維南定理可知,當(是的共軛復數)時負載上可獲取最大功率。
應用戴維南定理時,要求二端網絡N與外電路之間沒有受控源耦合或磁耦合,并且二端網絡N的戴維南等效電路存在且唯一。當電路中存在非線性元件時,只要把非線性元件歸入外電路中,對剩下的線性網絡仍可進行戴維南等效變換。
戴維南定理中要求等效變換的那部分有源二端網絡N是線性的,電路的其余部分即負載部分則不受限制,可以線性的,也可以是非線性的,且不管其負載有多么復雜。應用可以線性的,也可以是非線性的,且不管其負載有多么復雜。定理還可推廣應用于具有時變元件的有源線性多端口網絡。
適用條件與局限性
(1)戴維南定理只對外電路等效,對內電路不等效。也就是說,不可應用該定理求出等效電源電動勢和內阻之后,又返回來求原電路(即有源二端網絡內部電路)的電流和功率。
(2)應用戴維南定理進行分析和計算時,如果待求支路后的有源二端網絡仍為復雜電路,可再次運用戴維南定理,直至成為簡單電路。
(3)戴維南定理只適用于線性的有源二端網絡。
(4)在開路電壓時,原電路中的所有電源,無論是獨立源還是受控源都保留。
(5)求電阻R0時,獨立源與受控源的處理方法不一樣。獨立源要全部置零,受控源卻要保留在電路中。因為等效R。值與獨立源無關,但受控源具有電阻性,對R0值有貢獻。
(6)受控源的控制量隨電路狀態變化,而控制量又控制受控源的輸出,因而在不同的電路狀態下,受控源會有不同的輸出值。
參考資料 >
戴維南與戴維南定理.微信公眾平臺.2023-12-28
戴維南定理.《中國大百科全書》第三版網絡版 .2024-02-15
戴維南定理.《中國大百科全書》第三版網絡版.2024-02-15