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CR · 网络变换

三角形-星形(Δ-Y)变换

遇到既不是串联也不是并联的电路,化简就卡住了。三端电阻网络有三角形和星形两种形态,可以互相转换。这一单元从两个网络在端子上看起来完全一样的条件出发,弄清对称三角形的一条边和星形的一条臂为什么恰好是 3 比 1。

星形的一条臂是对称三角形一条边的 3 分之 1

左边是三条边都是 R_Δ = 9Ω 的对称三角形(Δ),右边是三条臂都等于 R_Y 的星形(Y)。两个网络有相同的三个端子 A、B、C;要想从外面分辨不出来,任意两个端子之间的电阻都必须相等。三角形的端子间电阻固定为 6Ω(= 2/3·R_Δ),星形则是 2·R_Y。拖动 R_Y,找出让星形看起来和三角形完全一样的值。一旦相等,两个网络的电阻和中间的 ≡ 符号都会变成金色。

星臂 R_YRY = 1.5 Ω
端子间电阻
Δ = 6.0 Ω · Y = 2RY = 3.0 Ω
端子间电阻不同

串并联解不开的电路

像电桥电路那样,有些布置中没有哪个电阻与其他电阻构成纯粹的串联或并联。惠斯通电桥不平衡时,中间那条支路使串并联化简完全卡住。这时把共用三个端子的三角形(Δ)组换成星形(Y)组,或者反过来,被堵住的串并联之路就又打开了。只要在外面的三个端子上表现一样,从电路的其余部分看来,两种形态就是完全相同的元件。

让它们在端子上看起来一样

在对称三角形中测两个端子之间的电阻,连接这两个端子的一条边 R_Δ 与另外两条边串联而成的 2R_Δ 并联。所以 R_Δ ∥ 2R_Δ = (R_Δ·2R_Δ)/(3R_Δ) = (2/3)R_Δ。在对称星形中,两个端子之间只是两条臂串联,为 2R_Y。要让两个网络看起来一样,就要 2R_Y = (2/3)R_Δ,即 R_Y = R_Δ/3,所以 9Ω 的三角形和 3Ω 的星形在端子上无法区分。星形的臂更小,是因为从端子到中心只经过一段,而两段合起来才是两个端子之间。

一般公式与反向变换

三条边各不相同的三角形,也按同样的原理变成星形。星形的一条臂,等于与该端子相连的两条三角形边之积除以三条边之和:R_a = R_ab·R_ca/(R_ab+R_bc+R_ca)。三条边相等时,积为 R_Δ²,和为 3R_Δ,又回到 R_Δ/3。反过来把星形展开成三角形时,把各臂两两相乘再相加,再除以与该边相对的那条臂。把不平衡惠斯通电桥上方的三角形用这个变换展开成星形,剩下的电路就能用串并联干净地解开。

观察RΔ ∥ 2RΔ = (23)RΔ
三角形是一条边与两条边并联。
选择Y → ?
星形是两条臂串联。
填空2RY = (23)RΔ → RY = ?
星形臂是边的 3 分之 1。
自己来Ra = ?
相邻两边之积除以三边之和。

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拖动星形臂 R_Y,星形的端子间电阻 2R_Y 随之增大,在 R_Y = 3Ω 时与三角形的 6Ω 恰好相等,两个网络的电阻和 ≡ 符号都变成了金色。对称三角形的一条边 9Ω,在星形中折成了它 3 分之 1 的 3Ω 臂。道理很简单:三角形端子之间是一条边与两条边并联,为 (2/3)R_Δ;星形是两条臂串联,为 2R_Y;令两者相等,就得到 R_Y = R_Δ/3。这一次互换,就是解开被串并联卡住的电桥的钥匙。

三角形-星形(Δ-Y)变换是把共用三个端子的三角形(Δ)电阻组和星形(Y)电阻组互相替换、使它们在端子上看起来完全一样的工具。星形的一条臂等于与该端子相连的两条三角形边之积除以三条边之和,Ra = Rab·Rca/(Rab+Rbc+Rca)。三条边相等的对称情形下,RY = RΔ/3,星形臂是三角形边的 3 分之 1。它是解开既非串联也非并联而卡住的电路(如不平衡的惠斯通电桥)的钥匙。