Thévenin and Norton equivalents, step by stepวงจรสมมูลเทวินินและนอร์ตัน ทีละขั้นตอน

Reduce a network of sources and resistors to one source and one resistor, check that the load cannot tell the difference, and find the load that draws the most power.ลดรูปวงจรที่มีแหล่งจ่ายและตัวต้านทานให้เหลือแหล่งจ่ายหนึ่งตัวกับตัวต้านทานหนึ่งตัว ตรวจสอบว่าโหลดแยกไม่ออก และหาโหลดที่รับกำลังได้มากที่สุด

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

The theorem

Seen from two terminals a–b, any linear network of sources and resistors behaves exactly like one voltage source Vth in series with one resistor Rth (Thévenin), or one current source IN in parallel with the same Rth (Norton). Analyse the network once, and any load is a one-line calculation.

IL = Vth / (Rth + RL)
IN = Vth / Rth

Finding Vth, Rth and IN

For the simulator’s network (V, R1, R2 divider, then R3 to terminal a):

  • Vth: remove the load and find the open-circuit voltage. No current flows in R3, so Vth is the R1–R2 divider: Vth = V·R2/(R1 + R2).
  • Rth: switch off independent sources (a voltage source becomes a wire, a current source an open circuit) and find the resistance seen into a–b: Rth = R1∥R2 + R3.
  • IN: short a–b and find the current, or simply IN = Vth/Rth.

Maximum power transfer

The power in the load, PL = Vth²·RL/(Rth + RL)², peaks when the load matches the source: RL = Rth. The maximum is Vth²/(4·Rth), and at that point the efficiency is only 50%: as much power is lost in Rth as reaches the load. Matched loads suit signals (antennas, audio); power systems run far from matched, for efficiency.

PL,max = Vth² / (4·Rth)  at  RL = Rth

Worked example (the simulator’s default values)

  1. V = 9 V, R1 = 220 Ω, R2 = 470 Ω, R3 = 330 Ω, RL = 1 kΩ.
  2. Vth = 9 × 470/690 = 6.13 V.
  3. Rth = (220 × 470/690) + 330 = 149.9 + 330 = 479.9 Ω.
  4. IN = 6.13/479.9 = 12.78 mA.
  5. IL = 6.13/(479.9 + 1000) = 4.14 mA in the original, Thévenin and Norton circuits alike; matched (RL = 480 Ω) it would draw Pmax = 19.6 mW.

Common mistakes

  • Leaving the source in when finding Rth. Replace voltage sources with wires and current sources with open circuits.
  • Forgetting R3 (or any series resistor) when combining: Rth here is R1∥R2 + R3, not just R1∥R2.
  • Expecting maximum power to mean maximum efficiency. At RL = Rth the efficiency is 50%.

Common questions

How do you find the Thévenin equivalent of a circuit?

Vth is the open-circuit voltage at the terminals. Rth is the resistance seen into the terminals with independent sources switched off (voltage sources shorted, current sources opened). Then the circuit is Vth in series with Rth.

What is the relation between Thévenin and Norton equivalents?

They share Rth, and IN = Vth/Rth. A voltage source in series with a resistor and a current source in parallel with the same resistor look identical from the terminals.

When is maximum power transferred to a load?

When the load resistance equals the Thévenin resistance. The load then receives Vth²/(4·Rth), with 50% efficiency.

ทฤษฎีบท

เมื่อมองจากขั้ว a–b วงจรเชิงเส้นใด ๆ ที่มีแหล่งจ่ายและตัวต้านทานทำตัวเหมือนแหล่งจ่ายแรงดัน Vth หนึ่งตัวต่ออนุกรมกับตัวต้านทาน Rth หนึ่งตัว (เทวินิน) หรือแหล่งจ่ายกระแส IN หนึ่งตัวต่อขนานกับ Rth ตัวเดิม (นอร์ตัน) วิเคราะห์วงจรเพียงครั้งเดียว แล้วโหลดใดก็คำนวณได้ในบรรทัดเดียว

IL = Vth / (Rth + RL)
IN = Vth / Rth

การหา Vth, Rth และ IN

สำหรับวงจรในโปรแกรมจำลอง (V, วงจรแบ่งแรงดัน R1–R2 แล้วต่อ R3 ไปยังขั้ว a):

  • Vth: ถอดโหลดออกแล้วหาแรงดันขณะเปิดวงจร ไม่มีกระแสใน R3 ดังนั้น Vth คือแรงดันจากวงจรแบ่งแรงดัน R1–R2: Vth = V·R2/(R1 + R2)
  • Rth: ปิดแหล่งจ่ายอิสระ (แหล่งจ่ายแรงดันแทนด้วยสายไฟ แหล่งจ่ายกระแสแทนด้วยวงจรเปิด) แล้วหาความต้านทานที่มองเข้าไปที่ a–b: Rth = R1∥R2 + R3
  • IN: ลัดวงจร a–b แล้วหากระแส หรือใช้ IN = Vth/Rth

การถ่ายโอนกำลังสูงสุด

กำลังที่โหลด PL = Vth²·RL/(Rth + RL)² มีค่าสูงสุดเมื่อโหลดเท่ากับแหล่งจ่าย: RL = Rth กำลังสูงสุดคือ Vth²/(4·Rth) และที่จุดนั้นประสิทธิภาพเพียง 50%: กำลังสูญเสียใน Rth เท่ากับกำลังที่ถึงโหลด การจับคู่โหลดเหมาะกับงานสัญญาณ (สายอากาศ เครื่องเสียง) ส่วนระบบไฟฟ้ากำลังทำงานห่างจากจุดนั้นมากเพื่อประสิทธิภาพ

PL,max = Vth² / (4·Rth)  เมื่อ  RL = Rth

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. V = 9 V, R1 = 220 Ω, R2 = 470 Ω, R3 = 330 Ω, RL = 1 kΩ
  2. Vth = 9 × 470/690 = 6.13 V
  3. Rth = (220 × 470/690) + 330 = 149.9 + 330 = 479.9 Ω
  4. IN = 6.13/479.9 = 12.78 mA
  5. IL = 6.13/(479.9 + 1000) = 4.14 mA เท่ากันทั้งในวงจรเดิม วงจรเทวินิน และวงจรนอร์ตัน ถ้าจับคู่โหลด (RL = 480 Ω) จะได้ Pmax = 19.6 mW

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • ไม่ปิดแหล่งจ่ายขณะหา Rth ต้องแทนแหล่งจ่ายแรงดันด้วยสายไฟ และแหล่งจ่ายกระแสด้วยวงจรเปิด
  • ลืม R3 (หรือตัวต้านทานอนุกรมใด ๆ) ขณะรวมค่า: Rth ในที่นี้คือ R1∥R2 + R3 ไม่ใช่แค่ R1∥R2
  • คิดว่ากำลังสูงสุดหมายถึงประสิทธิภาพสูงสุด ที่ RL = Rth ประสิทธิภาพเพียง 50%

คำถามที่พบบ่อย

หาวงจรสมมูลเทวินินของวงจรอย่างไร?

Vth คือแรงดันขณะเปิดวงจรที่ขั้ว Rth คือความต้านทานที่มองเข้าไปที่ขั้วเมื่อปิดแหล่งจ่ายอิสระ (ลัดวงจรแหล่งจ่ายแรงดัน เปิดวงจรแหล่งจ่ายกระแส) จากนั้นวงจรคือ Vth ต่ออนุกรมกับ Rth

วงจรสมมูลเทวินินกับนอร์ตันสัมพันธ์กันอย่างไร?

ใช้ Rth ตัวเดียวกัน และ IN = Vth/Rth แหล่งจ่ายแรงดันต่ออนุกรมกับตัวต้านทาน และแหล่งจ่ายกระแสต่อขนานกับตัวต้านทานตัวเดียวกัน ดูเหมือนกันทุกประการเมื่อมองจากขั้ว

โหลดจะได้รับกำลังสูงสุดเมื่อใด?

เมื่อความต้านทานโหลดเท่ากับความต้านทานเทวินิน โหลดจะได้รับ Vth²/(4·Rth) ด้วยประสิทธิภาพ 50%