Метод эквивалентного генератора (МЭГ) или теоремы Тевенина и Нортона

В тех случаях, когда необходимо определить напряжение или ток в определенном участке цепи, а другие токи и напряжения этой цепи интереса не пред­ставляют, удобно использовать метод эквивалентного генератора (МЭГ). Его суть:

1) выделяют фрагмент схемы, ток через который или напряжение на полюсах которого тре­буется вычислить. В схеме, приведенной на рис. 1, это – двухполюсник , в качестве которого может оказаться пассивный элемент, ветвь, любая цепь с пассивными и активными элементами. Допускается даже нелинейность двухполюсника . Всю остальную часть схемы, внешнюю по отношению к полюсам этого двухполюсника, представляют другим двухпо­люсником – . Внутри него могут быть источники ЭДС и тока (в том числе, зависимые), а также пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, свя­занные индуктивные элементы.

2) проводят замену двухполюсника эквивалентным источником энергии или с некоторым внутренним сопротивлением . Под эквива­лентным замещением двухполюсника понимаем то, что оно должно обеспечивать на полюсах исследуемого фрагмента такой же ток и такое же напряжение , что и в ис­ходной схеме. Единственное ограничение метода – двухполюсник не долженсодержать нелинейных элементов.

	Эквивалентное замещение Тевенина	Эквивалентное замещение Нортона

Рассматриваемый МЭГ применяют в двух модификациях – двухполюсник за­мещают эквивалентным источником напряжения с последовательно включенным эк­вивалентным сопротивлением (теорема Тевенина, схема слева на рис.1) или эквивалентным источником тока с параллельно включенным тем же эк­вивалентным сопротивлением (теорема Нортона, схема справа на рис.1). Обе теоремы известны с 1882 г.

Условные положительные направления эквивалентных источников выбирают так, как показано на рис.1. Видно, что исходная электрическая цепь, какой бы сложной она не была, сведена к одноконтурной цепи, в которой расчет искомых величин _, становится элементарным. Основную сложность представляет определение неизвестных , , в схемах замещения. Таким образом,

	Рис. 6.2

а) рассчитаем эквивалентное сопротивление цепи относительно зажимов выделенного участка; для этого в двухполюснике все источники энергии зануляются, а они сами замещаются внутренними сопротивлениями, т.е. источники напряжения закорачиваются, а ветви с источниками тока размыкаются. В итоге имеем чисто пассивную цепь (рис.2 а), определить которой достаточно простая задача;

Далее, в зависимости от того, какой метод мы используем: МЭГ напряжения (теорема Тевенина) или МЭГ тока (теорема Нортона) необходимо определить или . Если используется теорема Тевенина, то:

б) рассчитаем напряжение холостого хода на разомкнутых зажимах цепи , то есть при отсоединении двухполюсника (рис. 2 б), равное ЭДС эквивалентного генератора ;

Если используется теорема Нортона, то:

в) рассчитаем ток короткого замыкания цепи при закороченных зажимах , равный току эквивалентного источника тока (рис. 2 в).

Предположим, что пас­сивный двухполюсник (рис.1) представляет собой резистор с сопротивлением . Тогда искомый ток и напряжение на полюсах определяются по формулам:

, .

Из преобразования источников и по правилу деления тока следует

. (1)

Таким образом, основные сложности при вычислениях связаны с выявлением параметров эквивалентных элементов , , , замещающих активный двухполюсник . Отметим, что уравнения для поиска этих параметров часто ока­зываются проще исходных и задача определения тока некоторого участка цепи в целом облегчается.

МЭГ может быть сформулирован следующим образом: любая линейная ЭЦ, содержащая пассивные элементы и источники и рассматриваемая относительно двух зажимов, может быть эквивалентно заменена (при тех же условиях на зажимах) источником ЭДС , включенным последовательно с сопротивлением . Напряжение этого источника имеет величину, равную напряжению холостого хода на зажимах цепи, а равно внутреннему сопротивлению цепи относительно рассматриваемых зажимов, когда действие всех источников цепи равно нулю (теорема Тевенина ). Если мы преобразовываем в схему с эквивалентным источником тока, то получится аналогичная теорема, называемая теоремой Нортона.

Если в ветви, в которой необходимо определить ток, последовательно с резистором включен источник ЭДС , то искомый ток рассчитывается по формуле:

.

ПРАВИЛО ЗНАКОВ. Если направление ЭДС совпадает с направлением тока , то величина в последнем выражении берется со знаком плюс, в противном случае – со знаком минус.

МЭГ целесообразно использовать тогда, когда требуется рассчитать ток в одной ветви с изменяющимся сопротивлением. В этом случае отпадает необходимость каждый раз рассчитывать схему при очередном изменении сопротивления, при этом достаточно воспользоваться уравнением (1), изменяя только . Использование МЭГ упрощает трактовку всякого рода линейных генераторных устройств, а также таких звеньев ЭЦ, как двухпроводная линия, трансформатор, усилитель и т.п.

Стоит особо отметить, что все параметры той или другой эквивалентной схемы замещения (, и ) можно найти опытным путем по ре­зультатам измерений входного сопротивления, и зажимов двухполюсника . Тогда задачу о вычислении тока и напряжения на интере­сующем двухполюснике можно решить, не имея сведений о внутреннем устрой­стве активного двухполюсника .

Пример. Рассчитать в ЭЦ (рис. 2.1) токи методом эквивалентного генератора.

Преобразуем источник тока в источник напряжения .

Рассчитаем напряжение холостого хода на разомкнутых зажимах ЭЦ

,

Далее по МКТ для двух контуров составляем систему уравнений и находим и :

, .

Отсюда

.

Преобразуем ЭЦ:

=

=

=

Заменим и вычислим по формуле:

.

МЭГ целесообразно использовать тогда, когда требуется рассчитать ток в одной ветви с изменяющимся сопротивлением. В этом случае отпадает необходимость каждый раз рассчитывать схему при очередном изменении сопротивления, при этом достаточно воспользоваться уравнением (6.1), задаваясь только .

Кроме того, данный метод позволяет охарактеризовать любой сложный линейный двухполюсник двумя параметрами ( и ), которые можно вычислить, если двухполюсник задан в виде схемы «на бумаге», или измерить, если двухполюсник задан в виде некоторого реального устройства. В последнем случае параметры двухполюсника легко определяются, даже не зная его внутренней структуры.

Использование МЭГ упрощает трактовку всякого рода линейных генераторных устройств, а также других звеньев ЭЦ таких, например, как двухпроводная линия, трансформатор, усилитель и т.п.