什麼是戴維寧定理

由電源與線性元件構成的電路,從某一對端子看進去,可以換成一個電壓源 Vth 串聯一個阻抗 Zth 的定理。Vth 是端子開路時的電壓,Zth 是將電路中的獨立電源設為0(電壓源短路、電流源開路)後從端子看進去的阻抗。可以立即算出改變負載時的電流與功率,在交流中也能以相量直接使用。

日文名稱: テブナンの定理

「戴維寧定理」出現在3領域的8道練習題中(電路分析(交流電路、線性電路與暫態現象), 電路與電磁學基礎, 類比與電子電路等)。

戴維寧等效電路與負載阻抗 Vth Zth a b ZL
戴維寧等效電路與負載阻抗 · 在圖解集中查看

這個名詞所屬的領域: 電路分析(交流電路、線性電路與暫態現象)

等效電路的求法

先拆下負載,求出端子間的開路電壓,作為 Vth。接著把電路中的獨立電源設為0,求出從端子看進去的合成阻抗,作為 Zth。若知道端子短路時的電流 Isc,也可由 Zth = Vth/Isc 求得。這個方法也適用於含相依電源的電路。

含相依電源的情形

像電晶體的小信號等效電路那樣,含有與電路中電流或電壓成正比的相依電源時,不可把相依電源設為0。要取開路電壓與短路電流之比,或只把獨立電源設為0,在端子加上測試電壓,再由流入的電流之比求 Zth。有相依電源時,Zth 甚至可能看起來是負的。

諾頓定理與最大功率

同一電路也可以表示成電流源 Isc 並聯 Zth(諾頓等效電路),兩者可透過 Vth = Zth × Isc 互相轉換。使用戴維寧等效電路,也能立即知道負載消耗功率最大的條件:直流時負載電阻等於 Rth,交流時負載阻抗為 Zth 的共軛複數,最大功率為 Vth²/(4Rth)。

練習戴維寧定理的題目

在10 V直流電壓源(內阻為0)上串聯電阻R1 = 6 kΩ與R2 = 4 kΩ,以R2兩端為輸出端子。從輸出端子看進去的戴維寧等效電路(等效電壓Vth與等效電阻Rth),下列哪一項正確?

  1. AVth = 6 V,Rth = 2.4 kΩ
  2. BVth = 4 V,Rth = 2.4 kΩ
  3. CVth = 4 V,Rth = 10 kΩ
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正確答案:B. Vth = 4 V,Rth = 2.4 kΩ

Vth是輸出端子開路時的電壓,10 V × 4/(6 + 4) = 4 V。Rth是將電壓源短路後從輸出端子看進去的電阻,此時R1與R2為並聯,6 × 4/(6 + 4) = 2.4 kΩ。用此等效電路接上負載RL,流過的電流可簡單算出為 4 V/(2.4 kΩ + RL)。含有電流源的電路,在求Rth時要將電流源開路。

如圖,在戴維寧等效電壓 Vth = 10 V(有效值)、內部阻抗 Zth = 3 + j4 Ω 的交流電路端子a-b接上負載阻抗 ZL。若 ZL 的電阻成分與電抗成分都可以自由選擇,負載消耗功率的最大值最接近下列哪一項?

  1. A3.0 W
  2. B約6.3 W
  3. C約8.3 W
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正確答案:C. 約8.3 W

解法1(共軛匹配):取 ZL 為 Zth 的共軛複數 3 − j4 Ω,電抗互相抵銷,電路阻抗只剩6 Ω的電阻。電流為 10/6 ≈ 1.67 A,負載功率為 (10/6)² × 3 ≈ 8.3 W。一般而言 Pmax = Vth²/(4Rth) = 100/12 ≈ 8.3 W。解法2(將式子最大化):設 ZL = RL + jXL,則 P = Vth² RL/((3 + RL)² + (4 + XL)²),先取 XL = −4 Ω 使分母的電抗部分為0,再選使 RL/(3 + RL)² 最大的 RL = 3 Ω,結果相同。

常見問題

戴維寧定理適用於任何電路嗎?

適用於線性電路。含二極體等非線性元件的電路,只有在工作點附近的小變化範圍內才能視為線性使用。此外,等效的只是端子看到的電壓與電流關係,電路內部消耗的功率並不等效。

接上負載後端子電壓會怎樣?

Vth 會由 Zth 與負載分壓。例如在 Vth = 4 V、Rth = 2.4 kΩ 的電路接上2.4 kΩ的負載,端子電壓成為 4 × 2.4/(2.4 + 2.4) = 2 V,只剩一半。負載比 Rth 大很多時,端子電壓仍接近 Vth。

解析中的「戴維寧定理」

出現「戴維寧定理」的題目(8題)

  1. 在10 V直流電壓源(內阻為0)上串聯電阻R1 = 6 kΩ與R2 = 4 kΩ,以R2兩端為輸出端子。從輸出端子看進去的戴維寧等效電路(等效電壓Vth與等效電阻Rth),下列哪一項正確?
  2. 如圖,在戴維寧等效電壓 Vth = 10 V(有效值)、內部阻抗 Zth = 3 + j4 Ω 的交流電路端子a-b接上負載阻抗 ZL。若 ZL 的電阻成分與電抗成分都可以自由選擇,負載消耗功率的最大值最接近下列哪一項?
  3. 在圖(a)的電路中,R = 10 Ω,使用的角頻率下電容器的電抗為 1/(ωC) = 10 Ω,輸入電壓為 vin = 10∠0° V(有效值)。從輸出端子看進去的戴維寧等效電路之內部阻抗 Zth 為下列哪一項?
  4. 在圖中的電路,E = 12 V、R1 = 4 Ω、J = 2 A。拆下 R2,從原本連接 R2 的兩個端子(節點A與接地)看進去的戴維寧等效電路(等效電壓 Vth 與等效電阻 Rth)為下列哪一項?
  5. 圖中的電路有一個電流控制電壓源,產生與流過 R1 的電流 i 成正比的電壓 r·i(r = 3 Ω)。E = 10 V、R1 = 2 Ω 時,從端子a-b看進去的戴維寧等效電阻 Rth 為下列哪一項?
  6. 下列哪一項是戴維寧定理的正確內容?
  7. 與電動勢12 V、內阻4 Ω的電壓源等效的諾頓等效電路(電流源與電阻),下列哪一項正確?
  8. 在10 V直流電源上串聯兩個10 kΩ電阻組成的分壓電路中,於下側(接地側)電阻並聯10 kΩ的負載電阻。輸出電壓(下側電阻兩端的電壓)最接近下列哪一個?

相關名詞

諾頓定理 有效值 阻抗 電抗 導納 相量 節點分析 電壓隨耦器 三相交流 共振電路

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