一、叠加定理
图 4.1-1 ( a )所示电路中,有两个激励,即独立电压源 和独立电流源 ,现欲求 R1 支路上的电流 。
用网孔电流法求解。设网孔电流分别为 ,其方向都为顺时针方向,如图 4.1-1 ( a )所示。网孔方程为
解方程得,网孔电流为
所以, R1 支路电流为
其中, 可以看成是当 时的 的值, 则可看成是当 时的 的值。如图 4.1-1 ( b )、( c )。
令
则
其中, k1 , k2 是由电路的结构和元件的参数决定的。对于线性电路, R1 、 R2 、 R3 都是常数,不会随着电路中激励的数目和大小的改变而改变,所以 k1 , k2 也不会随激励的改变而改变,即为常数。 i 是激励的一次线性函数。
叠加定理
( superposition theorem )
由线性元件组成的线性电路,当 n 个激励共同作用时,在某条支路上产生的响应,等于各个激励单独作用时产生的响应的代数和。
其中, 表示 n 个激励(独立电压源或独立电流源), r 表示某条支路上产生的响应(电压或电流)。 都是常数,其大小由电路的结构和元件的参数决定。
应用叠加定理时应注意的问题
1 .叠加定理是线性电路的一个重要性质,因此只适用于线性电路,对于非线性电路则不能使用。
2 .当某个激励单独作用时,其他激励均取 0 。将独立电压源取 0 ,是把电压源短路,将独立电流源取 0 是把电流源开路。
3 .受控源虽然带有电源的性质,但不直接起激励作用,因此,在叠加定理中,受控源一般不单独作用,而是把受控源当电路元件处理。当独立源单独作用时,受控源应保留在电路中。
4 .叠加定理只适用于计算电压或电流,而不适用于计算功率,因为功率与电压、电流之间的关系不是线性关系。
例 4.1-1 图 4.1-2 ( a )所示电路,试用叠加定理求 3 Ω电阻上的电压 U 及功率。
解:电路中有两个独立源共同激励。
1 、当 12V 电压源单独激励时,电流源应视为 0 ,即把电流源开路,如图 4.1-2 ( b )所示。
由分压公式,得
2 、当 3A 电流源单独激励时,电压源应视为 0 ,即把电压源短路,如图 4.1-2 ( c )所示。对图 4.1-2 ( c )电路作变换,得图 4.1-2 ( d )所示电路。
3 、当电压源和电流源共同作用时,由叠加定理得 3 Ω电阻上的电压
3 Ω电阻上的功率为
注 意
计算功率时,不能用叠加定理。
例 4.1-2 用叠加定理计算图 4.1-3 ( a )所示电路中受控源两端电压及功率。
解:当 4V 电压源单独作用时,电流源视为开路,其电路如图 4.1-3 ( b )所示,对图中所示的回路,利用 KVL ,得
所以,
则
当 2A 电流源单独作用时,电压源视为短路,其电路如图 4.1-3 ( c )所示,对图中所示的回路,利用 KVL ,得
所以,
则
因此,当电压源和电流源共同作用时,利用叠加定理得
受控源两端电压为
受控源的功率为
二、齐次定理
齐次定理
( homogeneity theorem )
当线性电路中只有一个独立源作用时,电路的响应与激励成正比。
推 论:对于线性电路,若所有激励同时扩大(或缩小) K 倍,则电路中任一支路的响应也扩大(或缩小) K 倍。
例 4.1-3 图 4.1-4 所示的梯形电路中, Us=6V ,试用齐次定理计算支路电流 I5 。
解:这个电路是由电阻的串、并联组成,可以用等效电路的分析方法进行计算,但是用齐次定理计算会更方便。先设 I5 支路电流为 ,则
所以,
故
根据齐次定理,激励 与响应 成正比,即
因此,
注 意
应用叠加定理和齐次定理时,当激励的参考方向反向时,相当于激励变为原来的- 1 倍。
例 4.1-4 图 4.1-5 所示电路中, N 是不含独立源的线性网络,有 3 个独立源共同激励, a 、 b 两端的电压 为 10V 。当电压源 和电流源 反向而 不变时, 变为 5V ;当电压源 和电流源 反向而 不变时, 变为 3V 。试问:只有电流源 反向而电压源 和 不变时, 变为多少?
解:由于是线性电路,所以可用叠加定理。 3 个独立源共同激励,电路的响应
( 1 )
式中, 为常数,由电路的结构和元件的参数决定。
当电压源 和电流源 反向而 不变时,电路的结构和元件的参数不变, 的大小不变,而 都要乘以系数- 1 ,这时的 a 、 b 两端的电压为
( 2 )
又当电压源 和电流源 反向而 不变时, 乘以系数- 1 , a 、 b 两端的电压为
( 3 )
(2) + (3) ,得
( 4 )
所以,当只有电流源 反向而电压源 和 不变时, a 、 b 两端的电压为