戴维南和诺顿:练习题及分步解答

免费的戴维南和诺顿练习题,附图示、提示和完整详细解答。每次数值都不同,分三个难度:分压网络, 含串联电阻和负载, 含电流源和负载。

免费练习题简单
R1​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 12 Ω
A
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练习内容

  1. 简单分压网络
  2. 中等含串联电阻和负载
  3. 困难含电流源和负载

如何求解戴维南和诺顿问题

  1. 移去负载,并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压:这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零,求从 a–b 看进去的电阻:这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路:Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换:IN = Vth/Rth,RN = Rth 并联。

常见错误

  • 求 Rth 时没有断开负载。
  • 把从端子看进去实际上是并联的电阻当作串联相加。
  • 忘记当 Rload = Rth 时负载获得最大功率。

关键公式

戴维南电压
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth:所有独立源置零,从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

从零开始学习戴维南和诺顿

学习本课之前: 串并联电阻

1什么是戴维南等效电路

你往往只关心电路两个端点处发生的事,例如负载接入的位置。

戴维南定理说:从两个端点 a 和 b 看进去,由电源和电阻组成的任何电路,其表现都恰好等同于一个电压源串联一个电阻。

+−Vth​Rth​ab

电池是一个很好的比方:里面有一个化学电池(电源),带有一些内阻。从外部看,你只会注意到这两样东西。

这能省很多工作。一旦有了 Vth 和 Rth,试不同的负载时每次只需一行计算。

自测 戴维南等效电路用什么来替代原电路?
  1. 一个电压源串联一个电阻
  2. 一个电流源串联一个电阻
  3. 两个并联的电压源
  4. 只有一个电阻

答案: 一个电压源串联一个电阻. Vth 与 Rth 串联。诺顿形式用的是电流源,但与 Rth 并联,而不是串联。

2求 Vth 和 Rth

这两个数用两个独立的小计算就能求出。

  • Vth 是开路电压:a 和 b 之间不接任何东西时的电压。
  • Rth 是把所有独立电源置零后,从 a 和 b 看进去的电阻。

置零的方法与叠加定理中相同:电压源变成导线,电流源变成开路。

诺顿等效电路是同一个电路的另一种形式:一个电流源与同一个 Rth 并联。

IN​Rth​ab
IN = Vth / Rth
自测 某电路的 Vth = 12 V,Rth = 4 Ω。它的诺顿电流是多少?
  1. 0.33 A
  2. 16 A
  3. 3 A
  4. 48 A

答案: 3 A. IN = Vth/Rth = 12/4 = 3 A。这也是把 a 和 b 短接时会流过的电流。

3分步方法

  1. 去掉负载(如果有的话),并标出端点 a 和 b。
  2. 求 a 和 b 之间的开路电压。这就是 Vth。
  3. 把所有独立电源置零。用串联和并联规则求 a 和 b 之间的电阻。这就是 Rth。
  4. 画出等效电路:Vth 与 Rth 串联,然后把负载接回去。
  5. 负载电流为 IL = Vth / (Rth + RL)。

第 2 步的一个有用事实:a 和 b 开路时,只通向 a 的电阻中没有电流。所以它两端没有电压。

4例题讲解

跟着每一步走。打开下一步之前,先试着预测它。

例题讲解

一个负载 RL = 4 Ω 接在 a–b 上。求戴维南等效电路和负载电流 IL。

1

观察电路

R1​ = 6 ΩR2​3 ΩR3​ = 2 Ω+−Vs​24 VabRL​4 Ω

我们用 Vth 和 Rth 替换 a–b 左边的全部电路。

2

去掉负载并求 Vth

R1​ = 6 ΩR2​3 ΩR3​ = 2 Ω+−Vs​24 VabVth​ ?+−

a–b 开路时,R3 中没有电流,所以 a 点的电压与 R1 和 R2 之间的节点电压相同。

那个节点是一个分压器:

Vth = 24 · 3 / (6 + 3) = 8 V
3

把电源置零并求 Rth

R1​ = 6 ΩR2​3 ΩR3​ = 2 Ω0 VabRth​ ?

电源变成导线。从 a 看进去:R3 串联 (R1 ∥ R2)。

R1 ∥ R2 = 6·3 / (6 + 3) = 2 Ω
Rth = 2 + 2 = 4 Ω
4

把负载接回去

+−8 V4 Ωab
IL = Vth / (Rth + RL) = 8 / (4 + 4) = 1 A
5

诺顿形式

IN = 8 / 4 = 2 A

同一个电路的另一种形式:2 A 的电源与 4 Ω 并联,在负载中同样得到 1 A。

答案

Vth = 8 V,Rth = 4 Ω,IL = 1 A。

5传给负载的最大功率

一个经典的后续问题:哪个负载得到的功率最大?

答案是与戴维南电阻相等的负载:

RL = Rth ⇒ Pmax = Vth² / (4·Rth)

在这个例子中,4 Ω 的负载得到 8² / (4·4) = 4 W。这与我们求出的 1 A 一致:P = 1² · 4 = 4 W。

自测 某电路的 Vth = 10 V,Rth = 5 Ω。哪个负载电阻得到的功率最大?
  1. 0 Ω
  2. 10 Ω
  3. 2.5 Ω
  4. 5 Ω

答案: 5 Ω. 当 RL = Rth = 5 Ω 时发生最大功率传输。此时它得到 10²/(4·5) = 5 W。

6常见错误

  • 求 Vth 或 Rth 时让负载仍然接着。要先把它去掉。
  • 求 Rth 时忘了把电源置零,或把电压源当作开路而不是导线来置零。
  • 把从 a 和 b 看实际上是并联的电阻当作串联相加。要从端点的角度重新画电路。
  • 对在开路状态下没有电流的电阻,仍然计入电压降。

7考试题是什么样的

  • 简单:带分压器的电源。求 Vth 或 Rth。
  • 中等:同样,但像例子里那样,在通向端点的支路上多一个串联电阻。
  • 困难:还有一个电流源,并且要求出负载的电流。置零的电流源变成开路。

使用 Vth 和 Rth 之前,先把它们清楚地写下来。许多题目会在中间要求其中一个。

在应用中一步一步地学在应用中一步一步地学

例题详解

例题 1简单
R1​ = 10 Ω+−V1​20 VR2​8 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 20 VR1 = 10 ΩR2 = 8 Ω

求: Vth (V)

显示提示
  1. 你需要两个数:Rth(将所有电源置零,从 a–b 看进电路)和 Vth(a–b 不接任何东西时的电压)。诺顿电流和负载各量都由这两个数得到。
  2. V₁ 短路后,从 a–b 看,R₁ 与 R₂ 并联。
  3. Vth = V1·R2/(R1+R2) = 20·8/(10+8).
显示答案和分步解答

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 10 Ω短路R2​8 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

Rth = R1 ∥ R2 = 10·8/(10+8) = 4.444 Ω
R1​ = 10 Ω+−V1​20 VR2​8 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时没有电流流出端口,因此 R₁ 和 R₂ 构成简单的分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 20·8/(10+8) = 8.889 V
例题 2中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω

求: Rth (Ω)

显示提示
  1. 你需要两个数:Rth(将所有电源置零,从 a–b 看进电路)和 Vth(a–b 不接任何东西时的电压)。诺顿电流和负载各量都由这两个数得到。
  2. V₁ 短路后,从 a–b 看,R₁ ∥ R₂ 与 R₃ 串联。a–b 开路时 R₃ 中没有电流。
  3. R1 ∥ R2 = 1.714 Ω.
显示答案和分步解答

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​12 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 2·12/(2+12) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 3 = 4.714 Ω
例题 3困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAIs​0.5 ABRL​2 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 2 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 9 VIs = 0.5 AR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩRL = 2 Ω

求: PL (W)

显示提示
  1. 你需要两个数:Rth(将所有电源置零,从 a–b 看进电路)和 Vth(a–b 不接任何东西时的电压)。诺顿电流和负载各量都由这两个数得到。
  2. V₁ 短路、Iₛ 开路时,Rth = (R₁ ∥ R₂) + R₃。求 Vth 时,Iₛ 必须全部经 R₃ 流入 A。
  3. Rth = 11.33 Ω, Vth = 7.167 V.
显示答案和分步解答

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​4 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 20·4/(20+4) = 3.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.333 + 8 = 11.33 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAIs​0.5 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1.5 + 0.5·3.333 = 3.167 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3.167 + 0.5·8 = 7.167 V
Rth​ = 11.33 Ω+−Vth​7.167 VRL​2 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 7.167/(11.33 + 2) = 0.5375 A
PL = IL²·RL = 0.5375²·2 = 0.5778 W

问与答

什么是戴维南和诺顿?

你往往只关心电路两个端点处发生的事,例如负载接入的位置。

戴维南定理说:从两个端点 a 和 b 看进去,由电源和电阻组成的任何电路,其表现都恰好等同于一个电压源串联一个电阻。

戴维南和诺顿题目如何一步步求解?
  1. 移去负载,并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压:这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零,求从 a–b 看进去的电阻:这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路:Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换:IN = Vth/Rth,RN = Rth 并联。
戴维南和诺顿有哪些常见错误?
  • 求 Rth 时没有断开负载。
  • 把从端子看进去实际上是并联的电阻当作串联相加。
  • 忘记当 Rload = Rth 时负载获得最大功率。
戴维南和诺顿练习包括哪些内容?
  • 简单: 分压网络
  • 中等: 含串联电阻和负载
  • 困难: 含电流源和负载

每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。 卡住了?先打开一个小提示,需要时再查看完整解析。

练习方式

  • 每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。
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