直流电路功率传输的最大化

一、实验目的

●掌握直流电路中最大传输功率的条件。

●学习用Multisim仿真电路的方法和技巧。

二、实验原理

含源一端口电路N向终端负载RL传输功率,根据戴维南定理,可将原一端口电路等效为电压源uoc与电阻Req的串联,如图5-8所示。

图5-8　最大功率传输及等效电路

负载吸收的有功功率为

由此可得,负载RL获得的最大功率为

获得最大功率的条件为

三、实验内容及步骤

利用NI Multisim中的Parameter Sweep Analysis方法,确定图5-9直流电路中负载电阻RL获得最大功率时的取值。

图5-9　直流电路最大功率测试电路

四、仿真过程及步骤

1.绘制电路原理图

(1)直流电压源和接地：依次选择“Place”→“Component”→“Sources”→“POWER SOURCES”→“DC POWER”和“GROUND”,设置直流源为20 V。

(2)直流电流源：依次选择“Place”→“Component”→“Sources”→“SIGNAL_CURRENT_SOURCES”→“DC CURRENT”,设置电流为3 mA。

(3)电阻：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“RESISTOR”,设置电阻分别为5 kΩ,16 kΩ,20 kΩ。

(4)开关：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“SWITCH”→“SPST”。

(5)功率表：在主窗口右侧的虚拟仪器工具栏,单击“Wattmeter”,鼠标在主窗口上单击一次,放置一个功率表。

(6)电压表：选择“Place”→“Component”→“Indicators”→“VOLTMETER”→“VOLTMETER_V”。

(7)电流表：选择“Place”→“Component”→“Indicators”→“AMMETER”→“AMMETER_V”。

(8)连线：完成连线的原理图,如图5-10所示。

图5-10　Multisim仿真电路原理图

2.仿真分析(www.xing528.com)

(1)求解等效电阻●方法1：

在Multisim主窗口的菜单栏选择“Simulate”→“Run”,此时,在电压表中显示开路电压为7.982 V,如图5-10所示。按下空格键,开关切换至电流表,可看到短路电流为0.4 mA,如图5-11所示,可求得等效电阻。

图5-11　电路的短路电流

●方法2：

等效电阻Req为一端口的全部独立电源置零后的输入电阻,故将原理图5-10中的电压源短路,电流源开路,并在主窗口右侧虚拟仪器工具栏选择数字万用表XMM1,仿真电路如图5-12所示。选择“Simulate”→“Run”,用鼠标双击万用数字表,可出现数字万用表的面板,如图5-13所示,选择电阻档,在数字显示窗口中显示出等效电阻为20 kΩ。

图5-12　一端口内独立电源置零的仿真电路

图5-13　数字万用表面板

(2)确定负载RL获得最大功率时的阻值

在主窗口右侧虚拟仪器工具栏选择功率表XWM1,并添加一负载电阻,RL仿真电路及功率表面板如图5-14、图5-15所示。现在分析在负载电阻RL变化的情况下,RL上功率的变化情况。选择参数扫描分析。

注:功率表的电压和电流的“＋”输入端应该并接在一起,电压端并接在负载RL两端,电流端子串联在电路中。

在NI Multisim主窗口的菜单栏选择“Simulate”→“Analyses and simulation”→“Parameter Sweep...”,弹出如图5-16所示的“Parameter Sweep”对话框。首先在“Analysis parameter”选项卡中设置扫描参数。

图5-14　最大功率传输仿真电路图

图5-15　功率表面板

●在“Sweep parameters”区设置如下：“Device type”选择“Resistor”；“Name”选择“RL”；“Parameter”选择“resistance”。

●在“Points to sweep”区设置如下：“Start”为1 kΩ；Stop为30 kΩ；“Number of points”为30。

●在“More Options”区设置如下：“Analysis to sweep”选择“DC Operating Point”,并选择“Display results on a graph”复选框。设置的参数窗口如图5-16所示。

图5-16　功率表Power Sweep参数设置窗口

在“Output”选项卡中选择输出项,在“Variables in circuit”栏中选择“P(RL)”,单击“Add”,再单击“Run”按钮,仿真结果如图5-17所示。

图5-17　仿真结果Grapher View窗口

在图5-17所示仿真结果“Grapher View”窗口的菜单栏中选择“Cursor”→“Show cursors”,会弹出“Cursor”窗口,然后在菜单栏中选择“Cursor”→“Go to next Y MAX＝＞”,则在Grapher View窗口中自动定位到功率最大处,在Cursor窗口中显示最大功率是0.8 mW,此时对应RL＝20 kΩ,由此可见,当负载电阻RL＝Req时,负载获得最大功率。

五、实验思考与拓展

(1)当负载获得最大功率时,是否意味着负载从实际电路的实际独立电源处获得50%的功率?

(2)直流电路中负载RL获得最大功率的匹配条件以及最大功率的计算方法可否同理应用于交流正弦稳态电路?为什么?