实验七：最大功率传输条件测定

一、实验目的:

1.  掌握负载获得最大传输功率的条件。

2.       了解电源输出功率与效率的关系。

二、原理说明:

1. 电源与负载功率的关系

图7-1

图7-1可视为由一个电源向负载输送电能的模型，R0可视为电源内阻和传输线路电阻的总和，RL为可变负载电阻。

负载R L上消耗的功率P可由下式表示：                

          

当RL=0或RL=∞ 时，电源输送给负载的功率均为零。而以不同的RL值代入上式可求得不同的P值，其中必有一个RL值，使负载能从电源处获得最大的功率。  

2.       负载获得最大功率的条件

根据数学求最大值的方法，令负载功率表达式中的RL为自变量，P为应变量，并使

 dP/dR L=0，即可求得最大功率传输的条件：

当满足R L=R 0时，负载从电源获得的最大功率为：

这时，称此电路处于“匹配”工作状态。

3.       匹配电路的特点及应用

在电路处于“匹配”状态时，电源本身要消耗一半的功率。此时电源的效率只有50%。显然，这对电力系统的能量传输过程是绝对不允许的。发电机的内阻是很小的，电路传输的最主要指标是要高效率送电，最好是100%的功率均传送给负载。为此负载电阻应远大于电源的内阻，即不允许运行在匹配状态。而在电子技术领域里却完全不同。一般的信号源本身功率较小，且都有较大的内阻。而负载电阻（如扬声器等）往往是较小的定值，且希望能从电源获得最大的功率输出，而电源的效率往往不予考虑。通常设法改变负载电阻，或者在信号源与负载之间加阻抗变换器（如音频功放的输出级与扬声器之间的输出变压器），使电路处于工作匹配状态，以使负载能获得最大的输出功率。

三、实验设备:

    (见右表)

四、实验内容与步骤:         

图7-2

1. 按图7-2接线，负载RL取自元件箱DG09的电阻箱。

2. 按表7-1所列内容，令RL在0~1K范围内变化时，分别测出UO、UL及I的值，表中UO，PO分别为稳压电源的输出电压和功率，UL、PL分别为RL二端的电压和功率，I为电路的电流。在PL最大值附近应多测几点。

表7-1（单位：R－Ω，U－V，I－mA，P－W）

五、预习与思考题:

1. 电力系统进行电能传输时为什么不能工作在匹配工作状态？

2. 实际应用中，电源的内阻是否随负载而变？

3. 电源电压的变化对最大功率传输的条件有无影响？

六、实验报告:

1. 整理实验数据，分别画出两种不同内阻下的下列各关系曲线：

I~RL，UO~RL，UL~RL，PO~RL，PL~RL                         

2. 根据实验结果，说明负载获得最大功率的条件是什么?

第二篇：最大功率传输条件的研究

实验七  最大功率传输条件的研究

一．    试验目的

1.  理解阻抗匹配，掌握最大功率的传输条件;

2.  掌握根据电源外特性设计实际电源模型的方法。

二．    原理说明

图7-1

电源向负载供电的电路如图7-1所示，图中为电源内阻，为负载电阻。当电路电流为时，负载得到的功率为：                 

  

可见，当电源和确定后，

负载得到的功率大小只与负载电阻有关。

令，解得：=时，负载得到最大功率：    

                                                    

=称为阻抗匹配，即电源的内阻抗（或内电阻）与负载阻抗（或负载电阻）相等时，负载可以得到最大功率。也就是说，最大功率传输条件是供电电路必须满足阻抗匹配。

负载得到最大功率时的电路的效率：

实验中负载得到的最大功率用电压表，电流表测量。

三．   实验设备

1.  直流数字电压表，支流数字毫安表（根据型号的不同，EEL—I型为单独的MEL-06组见，其余型号含在主控制屏上）

2.  恒压源（EEL-I,II,III,IV均含在主控制屏上，根据用户的要求，有可能有两种配置（1）+6V(+5V),+12V,0~30V可调成（2）0~30双路可调）

3.  恒流源（0~500mA可调）                                  

4.  EEL-23组件或EEL-18组件（含固定电阻，电位器），EEL-30组件或EEL-51组件。     

四．   实验内容

1.  根据电源外特性曲线设计一个实际电压源模型

                         图   7-2

已知电源外特性曲线如图7-2所示，根据图中给出的开路电压和短路电流数值，计算出实际电压源模型中的电压源和内阻。实验中，电压源选用恒压源的可调稳压输出端，内阻选用固定电阻。

2.  测量电路传输功能

用上述设计的实际电压源于负载电阻相连，电路如图7-3所示，图中选用电阻箱，从0600改变负载电阻的数值，测量对应的电压，电流，将数据记入表7-1

图 7-3

五．   实验注意事项                                                             

1.  电源用恒压源的可调电压输出端，其输出电压根据计算的电               

压源数值进行调整，防止电源短路。

六．   预习与思考题

1.  什么是阻抗匹配？电路传输最大功率的条件是什么？

2.  电路传输的功率和效率如何计算？

3.  根据图7-2给出电源外特性曲线，计算出实际电压源模型中的电压源和内阻，作为实际电路中的电源；

4.  电压表，电流表前后位置对换，对电压表，电流表的读数有无影响？为什么？

七．   实验报告要求

1.  回答思考题；

2.  根据表7-1的实验数据，计算出对应的负载功率，并划出法在功率随负载电阻变化的曲线，找出传输最大功率的条件；

3.  根据表7-1的实验数据，计算出对应的效率，指明：（1）传输最大功率市的效率；（2）什么时候出现最大效率？由此说明电路在什么情况下，传输最大功率才比较经济合理。

表7-1       电路传输功率数据