CR · 直流分析
最大功率传输
要把尽可能多的功率从电源送到负载,负载电阻该取多大?本单元学习通过与电源内阻比较,找出那个过小过大都吃亏的折中点。
太小亏,太大也亏
图中的金色曲线是负载得到的功率随负载电阻的变化,曲线上的点是当前的负载。负载电阻为 0 时负载上没有电压,无穷大时没有电流,两种情况功率都是 0。找出两者之间功率最大的那一点,R_L = R_th。
负载电阻 R_LR_L = 18.0 Ω
负载功率与效率
P = 4.50 W · η = 75%
离匹配很远
不能同时拥有电压和电流
功率是负载两端电压与流过负载的电流之积。负载电阻小时电流大,但几乎没有电压;负载电阻大时电压高,但几乎没有电流。两者此消彼长,偏向任何一边,乘积都会变小;两者平衡时功率最大。
平衡出现在 R_L = R_th
把功率式 P = (V_th/(R_th+R_L))²·R_L 对 R_L 求导并令其为 0,正好在 R_L = R_th 处取得最大值。让负载电阻等于电源内阻的这个条件叫作匹配。此时电压平分为两半,负载上为 V_th/2,最大功率为 P_max = V_th²/(4R_th)。图中电源为 12 V、6 Ω,所以 R_L 为 6 Ω 时功率最大,为 6 W。
最大功率不是最大效率
匹配时负载电阻与内阻相等,总功率在两者之间平分。负载得到多少功率,内阻上就有同样多的功率变成热白白浪费,效率正好是 50%。想取出最多功率时,匹配就是答案;但在输电这类看重效率的场合,会故意把负载电阻取大来减少损耗。最大功率与最大效率是不同的目标。
观察P = I² RL
功率 = 电压 × 电流。
选择Pmax → RL = ?
让负载等于内阻。
填空Pmax = Vth² / ?
匹配时电压一分为二。
自己来RL = Rth → η = ?
负载与内阻平分功率。
回到第一屏
改变负载电阻时,负载功率从 0 出发,爬上峰顶又落了下来,而那个峰顶正好在 R_L = R_th,也就是负载等于内阻的虚线处。在那里电压一分为二,效率为 50%。用戴维南等效把电路折叠成一个电源加一个电阻之后,接上什么才能得到最多功率,就像这样一目了然。
最大功率传输定理指出:接在戴维南电源(Vth, Rth)上的负载在 RL = Rth(匹配)时得到最大功率。此时最大功率为 Pmax = Vth²/(4Rth),负载与内阻平分功率,效率为 50%。负载过小或过大,电压与电流的平衡被打破,功率就会下降。