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CR · 直流分析

戴维南等效

盒子里无论多复杂,从两个端子看过去,都只相当于一个电压源加一个电阻。本单元通过改变负载,确认端子的 V-I 关系是一条直线,并学习用这条直线代替整个电路的方法。

扫动负载,端子只画出一条直线

图中的直线是从端子看到的电压与电流的关系,线上的点是当前负载下的工作点。改变负载电阻 R_L,工作点就沿直线滑动;找出端电压恰好等于开路电压一半的位置。那时的 R_L 就是盒子的内阻 R_th。

负载电阻 R_LR_L = 18.0 Ω
端电压 V_L
V_L = 9.0 V
75% 相对开路电压 (V_th = 12 V)
离一半很远

戴维南电压 = 开路电压

把负载完全断开,电流变为 0。于是内阻上的电压也是 0,盒子里的电压原封不动地出现在端子上,这就是盒子能输出的最大电压。这个值就是戴维南电压 V_th,也叫开路电压。

戴维南电阻 = 直线的斜率

减小负载电阻,电流增大,端电压下降。电流每增加 1 安培端电压下降多少,也就是直线的斜率,就是内阻 R_th。把负载减到 0 而短路时,端电压为 0,电流升到短路电流 I_sc = V_th/R_th。

半电压指向R_th

负载电阻与内阻相等的那一刻,两者平分电压,端电压正好是开路电压的一半。所以只要找到让端电压降到一半的负载,那个值就是 R_th。图中的盒子 V_th = 12 V、R_th = 6 Ω,所以把 R_L 调到 6 Ω,端电压就是 6 V。这等于一次都没打开盒子,就测出了内阻。

观察VL = Vth RL(RL + Rth)
盒子的表现就像一个分压器。
选择Isc = Vth / ?
短路电流是 Vth 除以 Rth 的值。
填空VL = Vth2 → RL = ?
使电压降到一半的负载就是 Rth。
自己来Rth = Voc / ?
开路电压除以短路电流就是Rth。

把箱子折成一条直线

只要知道一个开路电压 V_th 和一个内阻 R_th,盒子里无论有十个电阻还是好几个电源,从外面都无法区分。由这两个值确定的一条 V-I 直线,就能代替整个盒子。正如本节的图所示,把问号盒子改画成一个电压源和一个电阻,从端子 a 和 b 看过去完全一样。分析大电路中的某一部分时,把其余部分折叠成这一条线,问题就简单多了。

回到第一屏

改变 R_L 的过程中,工作点始终沿着同一条直线滑动。断开负载时,直线在横轴上指向开路电压 V_th;短路时,在纵轴上指向短路电流 I_sc。端电压降到一半的地方,R_L 恰好等于 R_th。一次都没往盒子里看,一条直线就代替了里面的一切。

戴维南等效是把任意线性二端电路换成一个电压源和一个串联电阻。Vth 是断开负载时的开路电压,Rth 是由端子直线的斜率决定的内阻,Rth = Vth/Isc。端子的一条 V-I 直线代替整个盒子,而使端电压等于开路电压一半的负载就是 Rth。