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最大功率传输定理

最大功率传输定理与其说是一种分析手段,不如说是对系统设计的一种辅助。简单地说,当负载电阻等于供电网络的戴维宁/诺顿电阻时,负载电阻将耗散最大功率。如果负载电阻低于或高于源网络的戴维宁/诺顿电阻,其耗散功率将小于最大值。

这基本上是无线电发射机设计的目标,其中天线或传输线“阻抗”与最终功率放大器“阻抗”匹配,以获得最大射频功率输出。阻抗是与交流和直流电流相反的整体,与电阻非常相似,并且源和负载之间的阻抗必须相等,才能将最大量的功率传输到负载。过高的负载阻抗会导致低功率输出。过低的负载阻抗不仅会导致低功率输出,而且由于其内部(戴维宁或诺顿)阻抗中耗散的功率,还可能导致放大器过热。

最大功率传输示例

以戴维南等效电路为例,最大功率传输定理告诉我们,导致最大功耗的负载电阻值等于戴维南电阻(在本例中为 0.8 Ω):

使用此负载电阻值,耗散功率将为 39.2 瓦:

如果我们尝试降低负载电阻值(例如,0.5 Ω 而不是 0.8 Ω),负载电阻消耗的功率会降低:

戴维南电阻和整个电路的功耗均增加,但负载电阻的功耗降低。同样,如果我们增加负载电阻(例如,增加 1.1 Ω 而不是 0.8 Ω),功耗也将小于 0.8 Ω 时的精确值:

如果您正在设计一个在负载电阻处实现最大功耗的电路,这个定理将非常有用。将网络降低到戴维宁电压和电​​阻(或诺顿电流和电阻)后,您只需将负载电阻设置为等于戴维宁或诺顿等效值(反之亦然),以确保负载的最大功耗。其实际应用可能包括无线电发射机末级放大器设计(寻求最大限度地提高传输到天线或传输线的功率)、并网逆变器 加载太阳能电池阵列或电动汽车设计(寻求最大限度地提供驱动电机的功率)。

最大功率并不意味着最大效率

最大功率传输定理不: 最大功率传输与最大效率不一致。将最大功率传输定理应用于交流配电不会产生最大甚至高效率。对于交流配电来说,高效率的目标更为重要,与负载阻抗相比,这要求发电机阻抗相对较低。

与交流配电类似,高保真音频放大器设计用于相对较低的输出阻抗和相对较高的扬声器负载阻抗。作为一个比率,“输出阻抗”:“负载阻抗”被称为阻尼系数 , 通常在 100 到 1000 的范围内。

最大功率传输与最低噪声的目标不一致。例如,天线和无线电接收器之间的低电平射频放大器通常设计为尽可能降低噪声。与最大功率传输定理所规定的阻抗相比,这通常需要放大器输入阻抗与天线不匹配。

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