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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,负载电阻该取多少?学习通过它与内阻的关系,找到那个太小不行、太大也不行的折中点。

太小亏,太大也亏

滑动负载电阻 R_L,观察送入负载的功率。为0时其上无电压,为无穷时无电流,两者功率都为0。找出二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

功率是负载上的电压与流过它的电流之积。负载电阻小则电流大但几乎无压降;负载电阻大则电压高但几乎无电流。二者相互权衡,偏向任一边乘积都变小。功率在二者平衡时最大。

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 求导并置零,最大值恰好出现在 R_L = R_th。把负载电阻取成等于电源内阻的这一条件称为匹配。此时电压被二等分,负载上为 V_th/2,最大功率为 P_max = V_th²/(4R_th)。

最大功率不是最大效率

匹配时负载电阻与内阻相等,所以总功率在二者间均分。即负载得到多少,内阻就以热的形式丢弃多少,效率恰为50%。想取出最多功率时匹配是答案,但在输电等效率重要的场合,会故意把负载电阻取大以减少损耗。两者是不同的目标。

观察P = I² RL
功率是电压×电流。
选择Pmax → RL = ?
负载取成等于内阻。
填空Pmax = Vth² / ?
匹配时电压各半。
自己来RL = Rth → η = ?
负载与内阻各取一半。

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滑动负载电阻时,负载功率从0出发爬到峰顶又下降,那个峰恰好在 R_L = R_th,即负载等于内阻之处。在那里电压被二等分,效率为50%。用戴维南等效把电路折成一个电源加一个电阻后,接上什么才能得到最大功率就这样一目了然。

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)时负载功率最大。此时最大功率为 Pmax = Vth²/(4Rth),负载与内阻均分功率,故效率为50%。负载太小或太大都会破坏电压与电流的平衡,使功率下降。