第 1 節(jié) 疊加定理和齊次定理

一、疊加定理

圖 4.1-1 （ a ）所示電路中，有兩個激勵，即獨(dú)立電壓源 和獨(dú)立電流源 ，現(xiàn)欲求 R1 支路上的電流 。

 

用網(wǎng)孔電流法求解。設(shè)網(wǎng)孔電流分別為 ，其方向都為順時針方向，如圖 4.1-1 （ a ）所示。網(wǎng)孔方程為

解方程得，網(wǎng)孔電流為

所以， R1 支路電流為

其中， 可以看成是當(dāng) 時的 的值， 則可看成是當(dāng) 時的 的值。如圖 4.1-1 （ b ）、（ c ）。

令

則

其中， k1 ， k2 是由電路的結(jié)構(gòu)和元件的參數(shù)決定的。對于線性電路， R1 、 R2 、 R3 都是常數(shù)，不會隨著電路中激勵的數(shù)目和大小的改變而改變，所以 k1 ， k2 也不會隨激勵的改變而改變，即為常數(shù)。 i 是激勵的一次線性函數(shù)。

疊加定理

（ superposition theorem ）

由線性元件組成的線性電路，當(dāng) n 個激勵共同作用時，在某條支路上產(chǎn)生的響應(yīng)，等于各個激勵單獨(dú)作用時產(chǎn)生的響應(yīng)的代數(shù)和。

其中， 表示 n 個激勵（獨(dú)立電壓源或獨(dú)立電流源）， r 表示某條支路上產(chǎn)生的響應(yīng)（電壓或電流）。 都是常數(shù)，其大小由電路的結(jié)構(gòu)和元件的參數(shù)決定。

應(yīng)用疊加定理時應(yīng)注意的問題

1 ．疊加定理是線性電路的一個重要性質(zhì)，因此只適用于線性電路，對于非線性電路則不能使用。

2 ．當(dāng)某個激勵單獨(dú)作用時，其他激勵均取 0 。將獨(dú)立電壓源取 0 ，是把電壓源短路，將獨(dú)立電流源取 0 是把電流源開路。

3 ．受控源雖然帶有電源的性質(zhì)，但不直接起激勵作用，因此，在疊加定理中，受控源一般不單獨(dú)作用，而是把受控源當(dāng)電路元件處理。當(dāng)獨(dú)立源單獨(dú)作用時，受控源應(yīng)保留在電路中。

4 ．疊加定理只適用于計(jì)算電壓或電流，而不適用于計(jì)算功率，因?yàn)楣β逝c電壓、電流之間的關(guān)系不是線性關(guān)系。

例 4.1-1 圖 4.1-2 （ a ）所示電路，試用疊加定理求 3 Ω電阻上的電壓 U 及功率。

解：電路中有兩個獨(dú)立源共同激勵。

1 、當(dāng) 12V 電壓源單獨(dú)激勵時，電流源應(yīng)視為 0 ，即把電流源開路，如圖 4.1-2 （ b ）所示。

由分壓公式，得

 

2 、當(dāng) 3A 電流源單獨(dú)激勵時，電壓源應(yīng)視為 0 ，即把電壓源短路，如圖 4.1-2 （ c ）所示。對圖 4.1-2 （ c ）電路作變換，得圖 4.1-2 （ d ）所示電路。

 

3 、當(dāng)電壓源和電流源共同作用時，由疊加定理得 3 Ω電阻上的電壓

3 Ω電阻上的功率為

注 意

計(jì)算功率時，不能用疊加定理。

例 4.1-2 用疊加定理計(jì)算圖 4.1-3 （ a ）所示電路中受控源兩端電壓及功率。

 

解：當(dāng) 4V 電壓源單獨(dú)作用時，電流源視為開路，其電路如圖 4.1-3 （ b ）所示，對圖中所示的回路，利用 KVL ，得

所以，

則

當(dāng) 2A 電流源單獨(dú)作用時，電壓源視為短路，其電路如圖 4.1-3 （ c ）所示，對圖中所示的回路，利用 KVL ，得

所以，

則

因此，當(dāng)電壓源和電流源共同作用時，利用疊加定理得

受控源兩端電壓為

受控源的功率為

二、齊次定理

齊次定理

（ homogeneity theorem ）

當(dāng)線性電路中只有一個獨(dú)立源作用時，電路的響應(yīng)與激勵成正比。

推 論：對于線性電路，若所有激勵同時擴(kuò)大（或縮�。� K 倍，則電路中任一支路的響應(yīng)也擴(kuò)大（或縮小） K 倍。

例 4.1-3 圖 4.1-4 所示的梯形電路中， Us=6V ，試用齊次定理計(jì)算支路電流 I5 。

 

解：這個電路是由電阻的串、并聯(lián)組成，可以用等效電路的分析方法進(jìn)行計(jì)算，但是用齊次定理計(jì)算會更方便。先設(shè) I5 支路電流為 ，則

所以，

故

根據(jù)齊次定理，激勵 與響應(yīng) 成正比，即

因此，

注 意

應(yīng)用疊加定理和齊次定理時，當(dāng)激勵的參考方向反向時，相當(dāng)于激勵變?yōu)樵瓉淼模?1 倍。

 

例 4.1-4 圖 4.1-5 所示電路中， N 是不含獨(dú)立源的線性網(wǎng)絡(luò)，有 3 個獨(dú)立源共同激勵， a 、 b 兩端的電壓 為 10V 。當(dāng)電壓源 和電流源 反向而 不變時， 變?yōu)?5V ；當(dāng)電壓源 和電流源 反向而 不變時， 變?yōu)?3V 。試問：只有電流源 反向而電壓源 和 不變時， 變?yōu)槎嗌伲?/P>

解：由于是線性電路，所以可用疊加定理。 3 個獨(dú)立源共同激勵，電路的響應(yīng)

（ 1 ）

式中， 為常數(shù)，由電路的結(jié)構(gòu)和元件的參數(shù)決定。

當(dāng)電壓源 和電流源 反向而 不變時，電路的結(jié)構(gòu)和元件的參數(shù)不變， 的大小不變，而 都要乘以系數(shù)－ 1 ，這時的 a 、 b 兩端的電壓為

（ 2 ）

又當(dāng)電壓源 和電流源 反向而 不變時， 乘以系數(shù)－ 1 ， a 、 b 兩端的電壓為

（ 3 ）

(2) ＋ (3) ，得

（ 4 ）

所以，當(dāng)只有電流源 反向而電壓源 和 不變時， a 、 b 兩端的電壓為