Thévenin等效電路和最大功率傳輸

在 2017年12月的模擬對話文章中介紹SMU ADALM1000后，我們希望繼續(xù)使用ADALM1000系列的第三部分進(jìn)行一些小型基本測量。您可以在此處找到第一篇ADALM1000文章。

圖1. ADALM1000的原理圖。

現(xiàn)在讓我們開始下一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

目的

本實(shí)驗(yàn)活動的目的是通過獲得給定電路的Thévenin等效電壓（V TH）和Thévenin等效電阻（R TH）來驗(yàn)證Thévenin定理，然后驗(yàn)證最大功率傳遞定理。

背景

Thévenin定理是一個(gè)過程，通過該過程，復(fù)雜電路被簡化為等效電路，該電路由單個(gè)電壓源（V TH）與單個(gè)電阻（R TH）和負(fù)載電阻（R L）串聯(lián)組成。在創(chuàng)建Thévenin等效電路之后，可以容易地確定負(fù)載電壓V L或負(fù)載電流I L.

Thévenin定理的一個(gè)主要用途是用一個(gè)簡單的等價(jià)物來代替電路的大部分，通常是一個(gè)更復(fù)雜和無趣的部分。與更復(fù)雜的原始電路能夠輸送到負(fù)載相比，新的更簡單的電路能夠快速計(jì)算電壓，電流和功率。該定理還有助于選擇負(fù)載（電阻）的最佳值以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

圖2.圖1中的Thévenin等效電路。

的最大功率傳輸定理指出，在一系列獨(dú)立的電壓源與電阻，R 小號，或并聯(lián)的獨(dú)立的電流源與電阻R 小號遞送的最大功率給負(fù)載電阻，R 大號，當(dāng)R 大號 = R 小號。

就Thévenin等效電路而言，當(dāng)R L等于電路的Thévenin等效電阻R TH時(shí)，最大功率被傳遞到負(fù)載電阻R L.

圖3.最大功率傳輸。

物料

ADALM1000硬件模塊各種電阻（100Ω，330Ω，470Ω，1kΩ和1.5kΩ）

程序

驗(yàn)證Thévenin定理：

使用以下組件值構(gòu)建圖2的電路：

R 1 =330ΩR 2 =470ΩR 3 =470ΩR 4 =330ΩR 5 =1kΩR L =1.5kΩR S = 5 V.

使用ALM1000電壓表工具精確測量負(fù)載電阻兩端的電壓V L. 通過將通道CA連接到V L的正節(jié)點(diǎn)并將通道CB連接到負(fù)節(jié)點(diǎn)來使用電壓表工具。V L將是CA伏特和CB伏特之間的差異。稍后將使用Thévenin等效值將該值與您將找到的值進(jìn)行比較。

找到V TH：消除負(fù)載電阻R L，并測量端子上的開路電壓V OC。通過將通道CA連接到V OC的正節(jié)點(diǎn)并將通道CB連接到負(fù)節(jié)點(diǎn)來使用電壓表工具。V OC將是CA伏特和CB伏特之間的差異。這等于V TH。見圖4。

圖4.測量Thévenin電壓。

找到R TH：去掉電源電壓V S并構(gòu)建電路，如圖5所示。使用ALM1000歐姆表工具測量RL所在開口處的電阻。這給了R TH。在使用歐姆表進(jìn)行測量之前，確保電路沒有通電，并且接地連接已如圖所示移動。

圖5.測量Thévenin電阻，RTH。

獲得V TH和R TH，構(gòu)建圖2的電路。使用器件套件中的串聯(lián)和/或并聯(lián)電阻組合創(chuàng)建R TH的值。使用儀表源工具，連接V TH源的通道CA ，并將值設(shè)置為步驟c中為V TH測量的值。

圖6.Thévenin等效結(jié)構(gòu)。

其中R 大號設(shè)置為在步驟b中所用的1.5千歐，測量在V 大號的等效電路，并將其與在V 大號在步驟b中獲得的。這驗(yàn)證了Thévenin定理。

可選：重復(fù)步驟1b至步驟1f，R L =2.2kΩ。

驗(yàn)證最大功率傳輸定理：

使用以下值構(gòu)建如圖7所示的電路：

V S = 5 V.R 1 = R 2 =470ΩR 3 =1kΩR L =1kΩ和100Ω電阻的組合（圖8）

圖7.最大功率定理的電路。

通過將通道CA連接到V L的正節(jié)點(diǎn)并將通道CB連接到R L上的負(fù)節(jié)點(diǎn)，使用電壓表工具。V L將是CA伏特和CB伏特之間的差異。

要找到的R值大號針對最大功率被傳遞，通過構(gòu)造為1kΩ的和串聯(lián)/并聯(lián)組合100Ω對于R改變負(fù)載電阻大號在100個(gè)Ω步驟，500Ω之間至1400Ω如圖8。對于R的每個(gè)值大號，寫倒V 大號。

圖8. RL配置。

使用P L = V L 2 / R L計(jì)算每個(gè)負(fù)載電阻值的功率。然后，在您的測量之間進(jìn)行插值，以計(jì)算與最大功率（P L -max）對應(yīng)的負(fù)載電阻值。該值應(yīng)等于圖7中電路相對于負(fù)載端子的R TH。

問題

使用分壓為圖2的電路中，計(jì)算V. 大號。將其與測量值進(jìn)行比較。解釋任何差異。計(jì)算傳輸?shù)綀D3電路的負(fù)載R L的最大功率。您可以在StudentZone博客上找到答案。

筆記

與所有ALM實(shí)驗(yàn)室一樣，在引用與ALM1000連接器的連接和配置硬件時(shí)，我們使用以下術(shù)語。綠色陰影矩形表示與ADALM1000模擬I / O連接器的連接。模擬I / O通道引腳稱為CA和CB。當(dāng)配置為強(qiáng)制電壓/測量電流時(shí)，添加-V（如在CA-V中）或當(dāng)配置為強(qiáng)制電流/測量電壓時(shí)，添加-I（如在CA-1中）。當(dāng)通道配置為高阻抗模式以僅測量電壓時(shí)，添加-H（如在CA-H中）。

對于電壓波形，范圍跡線類似地通過通道和電壓/電流（例如CA-V和CB-V）以及針對電流波形的CA-1和CB-I來引用。

我們在這里使用ALICE rev 1.1軟件作為這些示例。

文件：alice-desktop-1.1-setup.zip。請?jiān)谶@里下載。

ALICE桌面軟件提供以下功能：

2通道示波器，用于時(shí)域顯示和電壓和電流波形分析。2通道任意波形發(fā)生器（AWG）控制。X和Y顯示用于繪制捕獲的電壓和電流與電壓和電流數(shù)據(jù)，以及電壓波形直方圖。2通道頻譜分析儀，用于頻域顯示和電壓波形分析。Bode繪圖儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，內(nèi)置掃頻發(fā)生器。用于分析復(fù)雜RLC網(wǎng)絡(luò)的阻抗分析儀，以及用作RLC儀表和矢量電壓表的阻抗分析儀。直流歐姆表測量相對于已知外部電阻或已知內(nèi)部50Ω的未知電阻。使用ADALP2000模擬部件套件中的AD584精密2.5 V基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行電路板自校準(zhǔn)。ALICE M1K電壓表。ALICE M1K儀表源。ALICE M1K桌面工具。有關(guān)更多信息，請查看此處。

注意：您需要將ADALM1000連接到PC才能使用該軟件。

作者 ：Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]是ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)ADI學(xué)術(shù)課程，以及來自Lab?和QA過程管理的Circuits的嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞的Cluj-Napoca開始在ADI公司工作。

他目前是理學(xué)碩士。他是Babes-Bolyai大學(xué)軟件工程碩士課程的學(xué)生，他有一個(gè)B.Eng。在克盧日納波卡技術(shù)大學(xué)的電子和電信領(lǐng)域。

道格默瑟

Doug Mercer于1977年獲得倫斯勒理工學(xué)院（RPI）的電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接為30多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品做出了貢獻(xiàn)，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)在ADI咨詢，擔(dān)任積極學(xué)習(xí)計(jì)劃的榮譽(yù)退休人員。2016年，他在RPI的ECSE部門被任命為駐地工程師。