實驗三 戴維南定理和疊加定理的驗證

實驗三戴維南定理和疊加定理的驗證一、實驗目的加深對戴維南定理的理解。學習戴維南等效參數(shù)的各種測量方法。理解等效置換的概念。通過實驗加深對疊加定理的理解。研究疊加定理適用范圍和條件。學習直流穩(wěn)壓電源、萬用表、直流電流表和電壓表的正確使用方法。二、實驗原理及說明1、戴維南定理是指一個含獨立電源、線性電阻和受控源的一端口，對外電路來說，可以用一個電壓源和一個電阻的串聯(lián)組合來等效置換。此電壓源的電壓等于該端口的開路電壓Uoc,而電阻等于該端口的全部獨立電源置零后的輸入電阻，如圖2.3-1所示。這個電壓源和電阻的串聯(lián)組合稱為戴維南等效電路。等效電路中的電阻稱為戴維南等效電阻Req。所謂等效是指用戴維南等效電路把有源一端口網(wǎng)絡置換后，對有源端口(1-1')以外的電路的求解是沒有任何影響的，也就是說對端口1-1'以外的電路而言，電流和電壓仍然等于置換前的值。外電路可以是不同的。2、 諾頓定理是戴維南定理的對偶形式，它指出一個含獨立電源、線性電阻和受控源的一端口，對外電路來說，可以用一個電流源和電導的并聯(lián)組合來等效置換，電流源的電流等于該一端口的短路電流Isc,而電導等于把該一端口的全部獨立電源置零后的輸入電導Geq=l/Req,見圖2.3T。3、 戴維南一諾頓定理的等效電路是對外部特性而言的，也就是說不管是時變的還是定常的，只要含源網(wǎng)絡內(nèi)部除獨立的電源外都是線性元件，上述等值電路都是正確的。圖2.3-1?-端口網(wǎng)絡的等效皆換4、戴維南等效電路參數(shù)的測量方法。開路電壓U的測量比較簡單，可以釆OC用電壓表直接測量，也可用補償法測量；而對于戴維南等效電阻Req的取得，可采用如下方：網(wǎng)絡含源時用開路電壓、短路電流法，但對于不允許將外部電路直接短路的網(wǎng)絡(例如有可能因短路電流過大而損壞網(wǎng)絡內(nèi)部器件時)不能釆用此法；網(wǎng)絡不含源時，采用伏安法、半流法、半壓法、直接測量法等。5、疊加定理疊加定理是線性電路的一個重要定理，是分析線性電路的基礎。疊加定理指出：在線性電阻電路中，任一支路電流(或支路電壓)都是電路中各個獨立電源單獨作用時在該支路產(chǎn)生的電流(或電壓)之疊加。使用疊加定理時，應注意下列各點：疊加定理適用于線性電路，不適用于非線性電路。疊加時，電路的連接以及電路中所有電阻和受控源都不得更動。所謂電壓源不作用，就是把該電壓源的電壓置零，即在該電壓源處用短路線替代；所謂電流源不作用，就是把該電流源的電流置零，即在該電流源處用開路替代。疊加時一定要注意電流和電壓的參考方向。由于功率不是電流或電壓的一次函數(shù)，所以不能用疊加定理來計算電阻元器件所消耗的功率。為了研究疊加定理的適用范圍和條件，實驗電路配備阻值相同和不同的兩組線性元件、非線性元件(發(fā)光管)，可以分別組合成線性對稱電路、線性不對稱電路、非線性對稱電路和不對稱電路。三、實驗電路及元器件參數(shù)1、 本實驗第一部分采用DGB型電工實驗裝置實驗單元3，見附錄3.10。該電路分為兩部分，說明如下：端口1-1'左為一端口網(wǎng)絡。該一端口網(wǎng)絡中電源由“+”、“-”兩個端子接入，U=30V,雙刀雙投開關K控制網(wǎng)絡與網(wǎng)絡中電源U的接通與置零，使網(wǎng)絡分別成為有源網(wǎng)絡和無源網(wǎng)絡,N網(wǎng)絡中電阻參數(shù)分別為：R=120、R=36012Q,R=240Q、R=180Q。34端口2-2'右側(cè)為外電路，其中有外加電源Us的兩個接線端子，可調(diào)電位器R為0220Q,設置電阻及R=Req，電阻R=100Q用來作負載。W56發(fā)光管D、D用來觀察電路有無電流，判斷電流方向，判斷是否接近于等電位(當D、D都不亮時)，但無論測量電流或電壓時都要把發(fā)光管D、D短接。12l22、 本實驗第二部分采用DGB型電工實驗裝置單元4，見附錄3.10。其中U、SAU的兩對電源接線端子，紅端接電源“+”，黑端接電源“-”，U=20V,U=12V。SB SA SB電路中線性電阻尺R=R=R=220Q，R=270Q,R=200Q.R=240Qo1 2 3 4 5 6非線性元件發(fā)光管D、D.D.D、D、它們用來觀察電路是否有電流通過和判斷電流方向，在線性電路測量時需將其短接。雙刀雙投開關K、K有三個用途：雙刀合向電源側(cè)可把電源置零；雙刀直立時，電源與電路都斷開，兩個刀可用作測試點。al、a2與bl、b2插孔，可用來連接A、B支路，測支路電流、短路電流、開路電壓(當K1或K2合向短接線時)。其它插孔可用于換參數(shù)，測支路電流，改變連接方式。四、實驗內(nèi)容及方法步驟1、計算與測量有源一端口網(wǎng)絡的開路電壓、短路電流計算有源一端口網(wǎng)絡的開路電壓U(U1-1‘)、短路電流I(I1-1‘)根OCSC據(jù)附本表3-1

中所示的有源一端口網(wǎng)絡電路的已知參數(shù)，進行計算，結(jié)果記入該表。（2）測量有源一端口網(wǎng)絡的開路電壓U,可釆用直接測量法。直接用電壓表測OC

量有源一端口網(wǎng)絡1-1'端口的開路電壓，見圖2.3-2電路，結(jié)果記入附本表3-2圖2.3圖2.3?2開路電壓、短路電流法 圖2.3?3補償法二、補償法三中。2、計算與測量有源一端口網(wǎng)絡的等效電阻Req（1） 計算有源一端口網(wǎng)絡的等效電阻Req。當一端口網(wǎng)絡內(nèi)部無源時（把雙刀雙投開關K1合向短路線），計算有源一端口網(wǎng)絡的等效電阻Req。電路參數(shù)見附本表3-1中，把計算結(jié)果記入該表中。（2） 測量有源一端口網(wǎng)絡的等效電阻Req?？筛鶕?jù)一端口網(wǎng)絡內(nèi)部是否有源，分別釆用如下方法測量：1） 開路電壓、短路電流法。當一端口網(wǎng)絡內(nèi)部有源時（把雙刀雙投開關K1

合向電源側(cè)），見圖2.3-2所示，U=12V不變，測量有源一端口網(wǎng)絡的開路電壓SN和短路電流I。把電流表接1-1'端進行短路電流的測量。測前要根據(jù)短路電流的SC計算選擇量程，并注意電流表極性和實際電流方向，測量結(jié)果記入附本表3-3,計算等效電阻Req。2） 伏安法。當一端口網(wǎng)絡內(nèi)部無源時（把雙刀雙投開關K1合向短路線側(cè)），整個一端口網(wǎng)絡可看成一個電阻，此電阻值大小可通過在一端口網(wǎng)絡的端口外加電壓，測電流的方法得出，見圖2.3-4。具體操作方法是外加電壓接在Us兩端，再把1'、2'兩端相連，把發(fā)光管和電位器RW短接，電流表接在1、2兩端，此時一端口網(wǎng)絡等效成一個負載與外加電源Us構(gòu)成回路，Us電源電壓從0起調(diào)到使電壓表指示為10V時，電流I與電壓值記入附本表3-3，并計算端口網(wǎng)絡等效電阻ReqS21）戴維南等效電路外接負載。如圖2.3-8（a）所示，首先組成一個戴維南等效電路，即

用外電源Us（其值調(diào)到附本表3-2用直接測量法測得的U值）與戴維南等效OC電阻R=Req相串后，外接R=100Q的負載，然后測電阻兩端電壓U和流過R的電5 5 R6 6流值16，記入附本表3-4。2）有源網(wǎng)絡1-1‘端口外接負載。如圖2.3-8（b）所示，同樣接R=100Q的負6載，測電壓U與電流I,結(jié)果記入附本表3-4中，與1）測試結(jié)果進行比較，驗證戴R6 R6圖￡3圖￡3心驗證戴維南定饉（a）戴維関等效電路端口負戮陳； （b）N網(wǎng)絡的端口按負載氐456力〉賓低按娃肚總圖456力〉賓低按娃肚總圖3、驗證疊加定理⑴線性對稱電路N（線性電阻R=R=R）。分別測量當電源U單獨作用（見1 2 3 SA圖2.4-4）、電源U單獨作用（電路圖自擬）、電源J和U共同作用（見圖2.4-5）SBSASB時，各支路的電流和電壓。測量結(jié)果記入附本表4-1中。團2.電源住嗣共同作用僅）原理電路示盍劉： （h）實際接線示意圖（2）線性不對稱電路N（線性電阻RHRHR_團2.電源住嗣共同作用僅）原理電路示盍劉： （h）實際接線示意圖五、測試記錄表格見附本。六、實驗注意事項U是N網(wǎng)絡內(nèi)的電源，U是外加電源，接線時極性位置、電壓值不要弄錯。SNS錯。此實驗是用多種方法驗證比較，測量中一定要心中有數(shù)，注意各種方法的特點、區(qū)別，決不含糊，否則無法進行比較，實驗也將失去意義。發(fā)光管是用作直接觀察電路中有否電流、電流的方向及判斷兩點是否接近等電位用。但因發(fā)光管是非線性元件，電阻較大，不管那種方法，只要測量電流、電壓時就把它短接掉，即用短線插到發(fā)光管兩頭的N、N插孔即可。23測量電流、電壓時都要注意各表極性、方向和量程的正確選擇。測量時要隨時與事先計算的含源一端口網(wǎng)絡的等效電阻、開路電壓、短路電流等值進行比較,以保證測量結(jié)果的準確。七、預習及思考題根據(jù)附本表3-1中一端口網(wǎng)絡的參數(shù)，計算開路電壓Uoc、短路電流Isc和等效電阻Req，并將結(jié)果記入該表中。用開路電壓、短路電流法測量等效電阻時，開路電壓、短路電流是否可以同時進行測量，為什么？為了達到實驗目的，整個實驗要用同一塊電壓表的同一量程去測量電源和各處電壓，選量程要事先估計出可能出現(xiàn)的最大電壓值。電流表使用要求同上，測量電流時應先估計電流的大小和方向，以免損壞儀表。注意電流表千萬不能用來測電壓，而且電流表、電壓表極性要正確連接。記錄電壓、電流時，不僅要記錄數(shù)值大小，而且也要記錄方向和單位，并且要記錄表的內(nèi)阻(對應所用量程的)。發(fā)光管是構(gòu)成非線性電路及觀察支路有無電流及電流方向用的。如果是線性電路，測量時把發(fā)光管短路即可。實驗前應明確疊加定理的內(nèi)容及實驗