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CR · 网络变换

三角形-星形(Δ-Y)变换

遇到既非串联也非并联的电路,化简就卡住了。三端子电阻网络有三角形与星形两种形态,可以互换。从两个网络在端子处看起来相同的条件,学会为什么均衡三角形的一边与星形的一臂恰好以三比一相连。

星臂是均衡三角形一边的三分之一

三边均为 R_Δ = 9Ω 的均衡三角形(Δ)与三臂均为 R_Y 的星形(Y)共享同样的三个端子 A、B、C。要让两个网络从外部无法区分,任意两端子间的电阻都必须相等。三角形端子间固定为6Ω(= 2/3·R_Δ),星形为2·R_Y。滑动 R_Y,找出使星形与三角形看起来相同的值。

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

串并联解不开的电路

像桥式电路那样,没有哪个电阻与另一个是纯粹的串联或并联。惠斯通电桥不平衡时,中间支路使串并联化简彻底卡住。把共享三端子的三角形(Δ)簇换成星形(Y)簇,或反之,被堵的串并联通路就重新打开。只要两种形态在外部三端子处表现相同,对电路其余部分来说它们就是完全可互换的部件。

让端子看到的相同

量一量均衡三角形两端子间的电阻。一边 R_Δ 与另两边的串联 2R_Δ 并联,所以 R_Δ ∥ 2R_Δ = (R_Δ·2R_Δ)/(3R_Δ) = (2/3)R_Δ。在均衡星形中,两端子间只是两臂串联,即 2R_Y。要让两网络看起来相同,2R_Y = (2/3)R_Δ,即 R_Y = R_Δ/3。所以9Ω三角形在端子处与3Ω星形无法区分。星臂更小,是因为从端子到中心只走一段。

通式与反向变换

边各不相同的三角形也用同样的原理变成星形。星形的每一臂,是触及该端子的两条三角形边之积除以三边之和:R_a = R_ab·R_ca/(R_ab+R_bc+R_ca)。三边相等时积为 R_Δ²、和为 3R_Δ,于是回到 R_Δ/3。反过来把星形展开为三角形时,取两两乘积之和除以对面的臂。用这个变换把不平衡惠斯通电桥中间的三角形展开为星形一次,其余电路就能用串并联干净地解开。

观察RΔ ∥ 2RΔ = (23)RΔ
三角形端子电阻。
选择Y → ?
星形是两臂串联。
填空2RY = (23)RΔ → RY = ?
臂是边的三分之一。
自己来Ra = ?
相邻两边之积除以总和。

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滑动星臂 R_Y 时,星形端子电阻 2R_Y 增大,在 R_Y = 3Ω 处与三角形的6Ω恰好相等,两网络在端子处无法区分。均衡三角形的一边9Ω在星形中折成了三分之一的3Ω臂。原因很简单:端子间三角形是一边与两边并联,(2/3)R_Δ,星形是两臂串联,2R_Y;令二者相等得 R_Y = R_Δ/3。这一次互换,正是解开串并联无法处理的电桥的钥匙。

三角形-星形(Δ-Y)变换把共享三端子的三角形(Δ)电阻簇,换成在这些端子处看起来相同的星形(Y)簇。星形的每一臂是触及该端子的两条三角形边之积除以三边之和,Ra = Rab·Rca/(Rab+Rbc+Rca)。对均衡三角形得 RY = RΔ/3,星臂为三角形边的三分之一。它是解开既非串联也非并联的电路(如不平衡惠斯通电桥)的钥匙。