Norton-Theorem
In der Theorie linearer elektrischer Netzwerke besagt das Norton-Theorem, benannt nach Edward Lawry Norton und auch als Mayer-Norton-Theorem bezeichnet, dass jede mögliche Kombination von Spannungsquellen, Stromquellen und Widerständen bezüglich zweier Klemmen elektrisch äquivalent zu einer Parallelschaltung aus einer Stromquelle und einem Widerstand R ist. Diese Ersatzschaltung wird Norton-Äquivalent oder im deutschen Sprachraum Ersatzstromquelle genannt.
Berechnung des Norton-Äquivalents
Das Norton-Äquivalent besteht aus einem Widerstand RNo und einer Stromquelle INo. Um die zwei Unbekannten RNo und INo zu bestimmen, benötigt man zwei Gleichungen. Diese Gleichungen können auf verschiedene Art und Weise erstellt werden. Meistens gebraucht man jedoch folgende:
- Den Ausgangsstrom IAB bei Kurzschluss bestimmen. Dieser Kurzschlussstrom ist der Norton-Äquivalentstrom INo.
Um den Norton-Äquivalentwiderstand RNo zu bestimmen, gibt es verschiedene Methoden:
- Man ersetzt alle Spannungsquellen durch Kurzschlüsse und streicht alle Stromquellen (d.h. man ersetzt sie durch Open Circuits). Dann berechnet man den Ersatzwiderstand. Dieser ist gleich dem Norton-Äquivalentwiderstand.
- Wenn man die Leerlaufspannung UAB kennt, benutzt man das ohmsche Gesetz, um RNo zu bestimmen:
- $ R_{\mathrm {No} }={U_{\mathrm {AB} } \over I_{\mathrm {No} }}\, $
Der Beweis des Norton-Theorems basiert auf dem Superpositionsprinzip.
Umwandlung zwischen Norton- und Thévenin-Äquivalent
Ein Norton-Äquivalent kann in ein Thévenin-Äquivalent umgewandelt werden anhand folgender Gleichungen:
- $ R_{Th}=R_{No}\, $
- $ U_{Th}=I_{No}R_{No}\, $
Frage zum Verständnis
Frage: »In zwei schwarzen Kistchen seien eine Stromquelle mit Parallelwiderstand und eine Spannungsquelle mit Serienwiderstand verborgen, so dass obige Gleichungen erfüllt sind. Kann man von außen feststellen, in welchem schwarzen Kistchen sich die Norton-Schaltung befindet?«
Antwort: Ja! Das Kistchen mit der Norton-Schaltung ist wärmer, denn es nimmt dauernd die Leistung $ P_{No}=I_{No}^{2}R_{No} $ auf. Die Thévenin-Schaltung nimmt keine Leistung auf und wird deshalb nicht wärmer. Die Äquivalenz besteht also nur bezüglich der Ausgangsklemmen. Belastet man beide Kistchen jedoch mit einem Kurzschluss, so nimmt das Kistchen mit der Thévenin-Schaltung die Leistung $ P_{Th}={\frac {U_{Th}^{2}}{R_{Th}}} $ auf, da nun Strom durch den Thévenin-Widerstand fließt. Die Norton-Schaltung dagegen nimmt keine Leistung mehr auf, da der Norton-Widerstand kurzgeschlossen ist. Die Leistung, die die Norton-Schaltung im offenen Fall aufnimmt, ist gleich groß, wie die Leistung, die von der Thévenin-Schaltung im kurzgeschlossen Fall aufgenommen wird.
Diese Frage bewährt sich sehr, um in Kursen die Grenzen der Theorie von Norton- und Thévenin-Äquivalent zu verdeutlichen.
Erweiterung für Wechselstrom
Das Norton-Theorem kann auch auf harmonische Wechselstromsysteme verallgemeinert werden, indem Impedanzen statt der ohmschen Widerstände verwendet werden.
Geschichte
Das Norton-Theorem ist eine Erweiterung des Thévenin-Theorems. Es wurde 1926 gleichzeitig und unabhängig durch Hans Ferdinand Mayer (1895–1980) (bei Siemens & Halske) und Edward Lawry Norton (1898–1983) (bei Bell Labs) entdeckt. Mayer veröffentlichte seine Entdeckung in der Zeitschrift Telegraphen- und Fernsprech-Technik, Norton publizierte seine Entdeckung in einem internen Arbeitsbericht der Bell Labs. Dieses Theorem wird als Vereinfachungstechnik in der Schaltkreisanalyse verwendet.
Literatur
- Karl Küpfmüller, W. Mathis, A. Reibiger: Theoretische Elektrotechnik. Springer, Berlin, Heidelberg 2006, ISBN 3-540-29290-X.