電路分析(交流電路、線性電路與暫態現象)
如圖,在戴維寧等效電壓 Vth = 10 V(有效值)、內部阻抗 Zth = 3 + j4 Ω 的交流電路端子a-b接上負載阻抗 ZL。若 ZL 的電阻成分與電抗成分都可以自由選擇,負載消耗功率的最大值最接近下列哪一項?
- A3.0 W
- B約6.3 W
- C約8.3 W
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正確答案:C. 約8.3 W
解法1(共軛匹配):取 ZL 為 Zth 的共軛複數 3 − j4 Ω,電抗互相抵銷,電路阻抗只剩6 Ω的電阻。電流為 10/6 ≈ 1.67 A,負載功率為 (10/6)² × 3 ≈ 8.3 W。一般而言 Pmax = Vth²/(4Rth) = 100/12 ≈ 8.3 W。解法2(將式子最大化):設 ZL = RL + jXL,則 P = Vth² RL/((3 + RL)² + (4 + XL)²),先取 XL = −4 Ω 使分母的電抗部分為0,再選使 RL/(3 + RL)² 最大的 RL = 3 Ω,結果相同。
- A. 這是 ZL 與 Zth 相同、為 3 + j4 Ω 的情形。電抗沒有抵銷,電流只有1 A,功率為3 W。
- B. 這是負載為 |Zth| = 5 Ω 電阻時的值。電抗不能選時這是最大值,但電抗也能選時,共軛匹配可得到更大的功率。
- C. 正確。共軛匹配時 Pmax = Vth²/(4Rth) ≈ 8.3 W。