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高考申論題 106年 [電力工程] 電路學

第 一 題

📖 題組:
一、如圖一所示之理想運算放大器電路:
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

試求 a–b 端點間之戴維寧等效電路。(10 分)

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本題測試含理想運算放大器之戴維寧等效電路分析。解題關鍵在於利用理想 OPA 的「虛短路(V_+ = V_-)」與「虛斷路(I_+ = I_- = 0)」特性找出節點電壓關係。建議先計算開路電壓求得 V_th,再利用短路電流法求得 I_sc,最終以 R_th = V_th / I_sc 求出等效電阻。

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【解題思路】利用理想運算放大器「虛短路」及「虛斷路」特性,先求 a-b 開路電壓得戴維寧等效電壓(V_th),再以短路電流法求戴維寧等效電阻(R_th)。 【詳解】 已知:理想運算放大器滿足虛短路(V_+ = V_-)及虛斷路(I_+ = I_- = 0)特性。

小題 (二)

利用(一)小題的結果,試問在 a–b 端點間植入多大電阻才能吸收最大功率?(5 分)

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看到本題首先聯想到「最大功率傳輸定理」,亦即負載需等於戴維寧等效電阻(R_th)方能獲取最大功率。解題策略為關閉獨立電源,以「外加測試電壓法」求出等效電阻,過程中需搭配理想運算放大器的虛短路與虛斷路特性來建立節點方程式。

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【解題思路】根據最大功率傳輸定理,欲使負載吸收最大功率,植入之負載電阻必須等於由 a-b 端點看進去的戴維寧等效電阻(R_th)。 【詳解】 已知:求取戴維寧等效電阻 R_th 時,需將電路內部之獨立電壓源(7V)關閉(即短路接地),並在 a-b 兩端外加測試電壓 v_t,求出流入 a 點的測試電流 i_t,藉此得出 R_th = v_t / i_t。

小題 (三)

求(二)小題之最大功率。(5 分)

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看到含運算放大器求最大功率的題型,首要思路是求出負載端(a,b)的戴維寧等效電路。先利用運算放大器的「虛短路」與「虛斷路」特性確認節點電壓關係,再分別求出開路電壓 Vth 與等效內阻 Rth,最後代入 Pmax = Vth²/4Rth 即可解得。

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【解題關鍵】利用理想運算放大器「虛短路」與「虛斷路」特性,求出 a、b 兩端的戴維寧等效電壓($V_{th}$)與等效電阻($R_{th}$),並代入最大功率公式 $P_{max} = \frac{V_{th}^2}{4R_{th}}$ 求解。 【解答】 計算:

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