Maximaler Leistungsübertragungssatz

Das Maximum Power Transfer Theorem ist weniger ein Mittel zur Analyse als vielmehr eine Hilfe beim Systemdesign. Einfach ausgedrückt wird die maximale Strommenge durch einen Lastwiderstand abgeführt, wenn dieser Lastwiderstand gleich dem Thevenin/Norton-Widerstand des die Leistung liefernden Netzwerks ist. Wenn der Lastwiderstand niedriger oder höher als der Thevenin/Norton-Widerstand des Quellnetzwerks ist, ist seine Verlustleistung geringer als das Maximum.

Dies ist im Wesentlichen das, was beim Design von Funksendern angestrebt wird, bei dem die „Impedanz“ der Antenne oder der Übertragungsleitung an die „Impedanz“ des Endverstärkers angepasst wird, um eine maximale Funkfrequenzleistungsabgabe zu erzielen. Die Impedanz, der Gesamtwiderstand von Wechsel- und Gleichstrom, ist dem Widerstand sehr ähnlich und muss zwischen Quelle und Last gleich sein, damit die größte Energiemenge an die Last übertragen werden kann. Eine zu hohe Lastimpedanz führt zu einer geringen Ausgangsleistung. Eine zu niedrige Lastimpedanz führt nicht nur zu einer geringen Ausgangsleistung, sondern möglicherweise auch zu einer Überhitzung des Verstärkers aufgrund der Verlustleistung in seiner internen Impedanz (Thevenin oder Norton).

Beispiel für maximale Leistungsübertragung

In unserer Thevenin-Ersatzbeispielschaltung sagt uns das Maximum Power Transfer Theorem, dass der Lastwiderstand, der zu der größten Verlustleistung führt, gleich dem Thevenin-Widerstand (in diesem Fall 0,8 Ω) ist:

Bei diesem Lastwiderstandswert beträgt die Verlustleistung 39,2 Watt:

Wenn wir einen niedrigeren Wert für den Lastwiderstand versuchen würden (zum Beispiel 0,5 Ω statt 0,8 Ω), würde unsere Verlustleistung durch den Lastwiderstand sinken:

Die Verlustleistung stieg sowohl für den Thevenin-Widerstand als auch für die gesamte Schaltung an, aber sie nahm für den Lastwiderstand ab. Wenn wir den Lastwiderstand erhöhen (zum Beispiel 1,1 Ω statt 0,8 ), wird die Verlustleistung ebenfalls geringer sein als bei genau 0,8 :

Wenn Sie eine Schaltung für maximale Verlustleistung am Lastwiderstand entwerfen würden, wäre dieses Theorem sehr nützlich. Nachdem Sie ein Netzwerk auf eine Thevenin-Spannung und -Widerstand (oder Norton-Strom und -Widerstand) reduziert haben, stellen Sie einfach den Lastwiderstand gleich dem Thevenin- oder Norton-Äquivalent (oder umgekehrt) ein, um eine maximale Verlustleistung an der Last zu gewährleisten. Praktische Anwendungen hierfür können das Design der Endverstärkerstufe eines Funksenders sein (um die an die Antenne oder Übertragungsleitung gelieferte Leistung zu maximieren), ein netzgebundener Wechselrichter Laden einer Solaranlage oder Elektrofahrzeugdesign (um die an den Antriebsmotor gelieferte Leistung zu maximieren).

Maximale Leistung bedeutet nicht maximale Effizienz

Das Maximum Power Transfer Theorem gilt nicht: Maximale Kraftübertragung fällt nicht mit maximaler Effizienz zusammen. Die Anwendung des Theorems der maximalen Leistungsübertragung auf die Wechselstromverteilung führt nicht zu einem maximalen oder sogar hohen Wirkungsgrad. Das Ziel einer hohen Effizienz ist wichtiger für die Wechselstromverteilung, die eine relativ niedrige Generatorimpedanz im Vergleich zur Lastimpedanz vorschreibt.

Ähnlich wie bei der Wechselstromverteilung sind High-Fidelity-Audioverstärker für eine relativ niedrige Ausgangsimpedanz und eine relativ hohe Lautsprecherlastimpedanz ausgelegt. Als Verhältnis „Ausgangsimpedanz“:„Lastimpedanz“ ist bekannt als Dämpfungsfaktor , typischerweise im Bereich von 100 bis 1000.

Maximale Kraftübertragung deckt sich nicht mit dem Ziel der geringsten Geräuschentwicklung. Beispielsweise ist der Low-Level-Hochfrequenzverstärker zwischen der Antenne und einem Funkempfänger oft auf geringstmögliches Rauschen ausgelegt. Dies erfordert oft eine Fehlanpassung der Eingangsimpedanz des Verstärkers an die Antenne im Vergleich zu der, die durch das Theorem der maximalen Leistungsübertragung diktiert wird.

RÜCKBLICK:

• Das Maximale Leistungsübertragungstheorem gibt an, dass die maximale Strommenge von einem Lastwiderstand abgeleitet wird, wenn dieser dem Thevenin- oder Norton-Widerstand des stromliefernden Netzwerks entspricht.
• Das Maximum Power Transfer Theorem gilt nicht das Ziel der maximalen Effizienz erfüllen.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt zu Thevenins, Norton und Maximum Power Transfer Theorems