Thévenin等效电路和最大功率传输

在 2017年12月的模拟对话文章中介绍SMU ADALM1000后，我们希望继续使用ADALM1000系列的第三部分进行一些小型基本测量。您可以在此处找到第一篇ADALM1000文章。

图1. ADALM1000的原理图。

现在让我们开始下一个实验。

目的

本实验活动的目的是通过获得给定电路的Thévenin等效电压（V TH）和Thévenin等效电阻（R TH）来验证Thévenin定理，然后验证最大功率传递定理。

背景

Thévenin定理是一个过程，通过该过程，复杂电路被简化为等效电路，该电路由单个电压源（V TH）与单个电阻（R TH）和负载电阻（R L）串联组成。在创建Thévenin等效电路之后，可以容易地确定负载电压V L或负载电流I L.

Thévenin定理的一个主要用途是用一个简单的等价物来代替电路的大部分，通常是一个更复杂和无趣的部分。与更复杂的原始电路能够输送到负载相比，新的更简单的电路能够快速计算电压，电流和功率。该定理还有助于选择负载（电阻）的最佳值以实现最大功率传输。

图2.图1中的Thévenin等效电路。

的最大功率传输定理指出，在一系列独立的电压源与电阻，R 小号，或并联的独立的电流源与电阻R 小号递送的最大功率给负载电阻，R 大号，当R 大号 = R 小号。

就Thévenin等效电路而言，当R L等于电路的Thévenin等效电阻R TH时，最大功率被传递到负载电阻R L.

图3.最大功率传输。

物料

ADALM1000硬件模块各种电阻（100Ω，330Ω，470Ω，1kΩ和1.5kΩ）

程序

验证Thévenin定理：

使用以下组件值构建图2的电路：

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

使用ALM1000电压表工具精确测量负载电阻两端的电压V L. 通过将通道CA连接到V L的正节点并将通道CB连接到负节点来使用电压表工具。V L将是CA伏特和CB伏特之间的差异。稍后将使用Thévenin等效值将该值与您将找到的值进行比较。

找到V TH：消除负载电阻R L，并测量端子上的开路电压V OC。通过将通道CA连接到V OC的正节点并将通道CB连接到负节点来使用电压表工具。V OC将是CA伏特和CB伏特之间的差异。这等于V TH。见图4。

图4.测量Thévenin电压。

找到R TH：去掉电源电压V S并构建电路，如图5所示。使用ALM1000欧姆表工具测量RL所在开口处的电阻。这给了R TH。在使用欧姆表进行测量之前，确保电路没有通电，并且接地连接已如图所示移动。

图5.测量Thévenin电阻，RTH。

获得V TH和R TH，构建图2的电路。使用器件套件中的串联和/或并联电阻组合创建R TH的值。使用仪表源工具，连接V TH源的通道CA ，并将值设置为步骤c中为V TH测量的值。

图6.Thévenin等效结构。

其中R 大号设置为在步骤b中所用的1.5千欧，测量在V 大号的等效电路，并将其与在V 大号在步骤b中获得的。这验证了Thévenin定理。

可选：重复步骤1b至步骤1f，R L =2.2kΩ。

验证最大功率传输定理：

使用以下值构建如图7所示的电路：

V S = 5 V.R 1 = R 2 =470ΩR 3 =1kΩR L =1kΩ和100Ω电阻的组合（图8）

图7.最大功率定理的电路。

通过将通道CA连接到V L的正节点并将通道CB连接到R L上的负节点，使用电压表工具。V L将是CA伏特和CB伏特之间的差异。

要找到的R值大号针对最大功率被传递，通过构造为1kΩ的和串联/并联组合100Ω对于R改变负载电阻大号在100个Ω步骤，500Ω之间至1400Ω如图8。对于R的每个值大号，写倒V 大号。

图8. RL配置。

使用P L = V L 2 / R L计算每个负载电阻值的功率。然后，在您的测量之间进行插值，以计算与最大功率（P L -max）对应的负载电阻值。该值应等于图7中电路相对于负载端子的R TH。

问题

使用分压为图2的电路中，计算V. 大号。将其与测量值进行比较。解释任何差异。计算传输到图3电路的负载R L的最大功率。您可以在StudentZone博客上找到答案。

笔记

与所有ALM实验室一样，在引用与ALM1000连接器的连接和配置硬件时，我们使用以下术语。绿色阴影矩形表示与ADALM1000模拟I / O连接器的连接。模拟I / O通道引脚称为CA和CB。当配置为强制电压/测量电流时，添加-V（如在CA-V中）或当配置为强制电流/测量电压时，添加-I（如在CA-1中）。当通道配置为高阻抗模式以仅测量电压时，添加-H（如在CA-H中）。

对于电压波形，范围迹线类似地通过通道和电压/电流（例如CA-V和CB-V）以及针对电流波形的CA-1和CB-I来引用。

我们在这里使用ALICE rev 1.1软件作为这些示例。

文件：alice-desktop-1.1-setup.zip。请在这里下载。

ALICE桌面软件提供以下功能：

2通道示波器，用于时域显示和电压和电流波形分析。2通道任意波形发生器（AWG）控制。X和Y显示用于绘制捕获的电压和电流与电压和电流数据，以及电压波形直方图。2通道频谱分析仪，用于频域显示和电压波形分析。Bode绘图仪和网络分析仪，内置扫频发生器。用于分析复杂RLC网络的阻抗分析仪，以及用作RLC仪表和矢量电压表的阻抗分析仪。直流欧姆表测量相对于已知外部电阻或已知内部50Ω的未知电阻。使用ADALP2000模拟部件套件中的AD584精密2.5 V基准电压源进行电路板自校准。ALICE M1K电压表。ALICE M1K仪表源。ALICE M1K桌面工具。有关更多信息，请查看此处。

注意：您需要将ADALM1000连接到PC才能使用该软件。

作者 ：Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]是ADI公司的系统应用工程师，负责ADI学术课程，以及来自Lab®和QA过程管理的Circuits的嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚的Cluj-Napoca开始在ADI公司工作。

他目前是理学硕士。他是Babes-Bolyai大学软件工程硕士课程的学生，他有一个B.Eng。在克卢日纳波卡技术大学的电子和电信领域。

道格默瑟

Doug Mercer于1977年获得伦斯勒理工学院（RPI）的电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接为30多种数据转换器产品做出了贡献，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续在ADI咨询，担任积极学习计划的荣誉退休人员。2016年，他在RPI的ECSE部门被任命为驻地工程师。