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高考申論題 110年 [電力工程] 電路學

第 三 題

📖 題組:
一、圖一中 A、B 為電源電路的兩端點。(每小題 10 分,共 30 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (三)

請繪出圖一電路之戴維寧等效電路(Thévenin equivalent network)和諾頓等效電路(Norton equivalent network)。

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遇到含相依電源的等效電路轉換,應優先利用節點電壓法(KCL)搭配超節點(Supernode)概念,求出 A、B 端開路電壓以得到戴維寧電壓。求解等效電阻時,絕對不能直接關閉相依電源,必須透過『計算短路電流法』或『外加測試電源法』進行推導。

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【解題思路】運用節點電壓法求取 A、B 兩端開路電壓作為戴維寧等效電壓,並以短路電流法計算等效電阻,最後依據電源轉換原理繪出並說明等效電路。 【詳解】 已知:設定 B 端為參考節點(接地,$V_B = 0\text{ V}$),則 $V_{TH} = V_{oc} = V_A$。令左下角獨立電壓源正極處節點為 C,則 $V_C = 6\text{ V}$。令右側 $12\text{ V}$ 電源負端節點為 D,其電壓為 $V_D$;頂端導線節點電壓為 $V_{top}$。由右上角 $12\text{ V}$ 獨立電源可知,頂端節點與 D 節點構成超節點(Supernode),滿足 $V_{top} - V_D = 12$。依據電路定義,電流 $I_x = \frac{V_D - V_A}{1\text{ k}}$(以下電流單位為 mA,電阻單位為 $\text{k}\Omega$,電壓為 V)。

小題 (一)

請利用網目電流法(mesh current analysis)求得 A、B 兩點的開路電壓。

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面對含有多個電流源(含受控源)的平面電路,首選「網目電流法」。發現網目之間有電流源時,應設立超網目(Supermesh)來避開未知電壓降;並將受控源的控制變數(Ix)用網目電流表示,即可列出聯立方程式求解。

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【解題關鍵】利用網目電流法,處理含獨立電流源的超網目 (Supermesh) 與受控電流源的限制條件,建立聯立方程式求解。 【解答】 Step 1:定義網目電流與參考點

小題 (二)

請利用節點電壓分析法(node voltage analysis)求得 A、B 兩點的短路電流。

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看到求兩點短路電流,第一步是將 A、B 兩點相連短路,並設定底部導線(B點)為參考接地點以簡化分析。接著依節點電壓法,識別出 12V 電壓源跨接於兩未知節點形成「超節點(Supernode)」,聯立 KCL 方程式解出各節點電壓,最後對 A 點加總流入電流即可求得短路電流。

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【解題思路】應用節點電壓分析法,設定參考接地並處理超節點(Supernode)與相依電流源,最終透過對短路點列 KCL 求出短路電流。 【詳解】 已知與節點定義:

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