電工電子技術(shù) 課件 1任務(wù)六 電壓源與電流源特性分析實(shí)驗(yàn)

任務(wù)六、電壓源與電流源特性分析實(shí)驗(yàn)電工電子技術(shù)

黃燕華任務(wù)導(dǎo)學(xué)常用的兩種電源為電壓源和電流源，理想的電壓源和電流源具有哪些基本性質(zhì)?

任務(wù)導(dǎo)學(xué)同學(xué)們，大家知道電源有電壓源和電流源兩種，他們所起的作用都是相同的，在電路中起到激勵(lì)的作用，那理想的電壓源和電流源分別有哪些基本的性質(zhì)呢？理想電壓源具有兩個(gè)基本性質(zhì)：（1）元件的端電壓U等于電動(dòng)勢(shì)E，保持為恒定值。該恒定值U與外電路無(wú)關(guān)，與流過(guò)它的電流無(wú)關(guān)。因此，理想電壓源又稱為恒壓源。（2）流過(guò)理想電壓源的電流完全由與之相連的外電路確定。理想電流源也具有兩個(gè)基本性質(zhì)：（1）產(chǎn)生并輸出恒定電流Is，該電流與所接外電路無(wú)關(guān)，與其端電壓U無(wú)關(guān)。（2）理想電流源的端電壓U由與之相連的外電路決定。

任務(wù)情境利用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源(０~３０Ｖ可調(diào))、恒流源(０~１Ａ可調(diào))、直流數(shù)字電壓表、直流數(shù)字電流表、實(shí)驗(yàn)電路板等建立電源模型，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析并驗(yàn)證電壓源和電流源特性。任務(wù)實(shí)施一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、測(cè)定電壓源（恒壓源）與實(shí)際電壓源的外特性（1）測(cè)定恒壓源的外特性如圖１-４７所示，電源Ｕｓ用恒壓源中的＋５Ｖ的輸出端，Ｒ１為２００Ω的固定電阻，調(diào)節(jié)電位器ＲＰ(４７０Ω)，令其阻值由大到小變化，分別將電流表、電壓表的讀數(shù)Ｉ１、Ｕ１記錄至表１-１７中。圖1-47電壓源外特性測(cè)試圖表1-17恒壓源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

（2）測(cè)定實(shí)際電壓源的外特性實(shí)驗(yàn)電路如圖所示，將圖中的電壓源改成實(shí)際電壓源，如圖所示，圖中1-48內(nèi)阻R0取51Ω的固定電阻，調(diào)節(jié)電位器Rp，令其阻值由大到小變化，將電流表、電壓表的讀數(shù)記錄表1-18中。圖1-48實(shí)際電壓源的外特性測(cè)試圖RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-18實(shí)際電壓源的外特性曲線表2、測(cè)定電流源（恒流源）與實(shí)際電流源的外特性接線圖如圖1-49所示，圖中Is為恒流源，調(diào)節(jié)其輸出為10mA（用毫安表測(cè)量），Rp取470Ω的電位器，在Rs分別為1KΩ和∞（接入和斷開(kāi)）兩種情況下，調(diào)節(jié)電位器Rp，令其阻值由大至小變化，將電流表、電壓表的讀數(shù)計(jì)入表1-20中。（1）當(dāng)Rs為∞時(shí)，模擬理想電流源，測(cè)得電路中的I1、U1填入表1-19中。圖1-49電流源外特性測(cè)試電路表1-19恒流源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-20實(shí)際電流源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

（2）當(dāng)Rs為1KΩ時(shí)，模擬實(shí)際電流源，測(cè)得電路中的I1、U1填入表中1-20。二、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、在測(cè)電壓源外特性時(shí)，要測(cè)一次空載時(shí)的電壓值，即I1=0A。2、在測(cè)電流源外特性時(shí)，要測(cè)一次短路時(shí)的電流值，即U1=0V。3、連接線路時(shí)，必須關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。4、直流儀表的接入應(yīng)該注意極性與量程。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與思考從實(shí)驗(yàn)中可以得出電壓源和電流源的哪些特性？（提示：電壓源特性從輸出電壓和流過(guò)電壓源的電流方面考慮；電流源特性從輸出電流和電流源端電壓方面考慮。）知識(shí)鏈接一、電壓源二、電流源

三、電壓源與電流源之間的等效變換

一、電壓源（一）理想的電壓源圖1-50所示點(diǎn)畫線框內(nèi)的元件是一種理想的電源元件，稱為理想電壓源，簡(jiǎn)稱電壓源。理想電壓源具有兩個(gè)基本性質(zhì)：（1）元件的端電壓U等于電動(dòng)勢(shì)E，并保持為恒定值。該恒定值U與外電路無(wú)關(guān)，與流過(guò)它的電流無(wú)關(guān)。因此，理想電壓源又稱為恒壓源。（2）流過(guò)理想電壓源的電流完全由與之相連的外電路確定。圖1-50理想電壓源的電路模型電源元件的特性用它的端電壓U與輸出電流I的關(guān)系表示，這就是電源的伏安特性，又稱電源的外特性。理想電壓源的外特性如圖1-50所示，它是一條平行于水平軸(I軸)的直線。表明當(dāng)外接負(fù)載電阻變化時(shí)，電源提供的電流變化，但其端電壓始終保持恒定U=E。圖1-50理想電壓源的電路模型及其外特性（二）實(shí)際電壓源模型理想電壓源的這種理想情況顯然是不存在的。以電池為例，隨著輸出電流的加大，其端電壓不是保持不變，而是略有降低。這是因?yàn)閷?shí)際電源總會(huì)有一定的內(nèi)電阻，當(dāng)輸岀電流增加時(shí)，內(nèi)阻壓降增加（內(nèi)阻的壓降等于流過(guò)的電流乘與內(nèi)阻），造成電源的端電壓降低，圖1-51中點(diǎn)劃線框內(nèi)為實(shí)際電壓源模型。這種實(shí)際電源的特性可以用一個(gè)理想電壓源(電動(dòng)勢(shì)為E)與等效內(nèi)電阻R0的串聯(lián)電路模型表示，稱為實(shí)際電源的電壓源模型，如圖1.51所示。這種實(shí)際電源模型的伏安關(guān)系式伏安特性曲線表示在圖1-51中。端電壓U隨著電流I增加而下降，內(nèi)阻R0越小，曲線就越平直,就越接近理想情況。圖1-51實(shí)際電壓源的電路模型及其伏安特性曲線二、電流源（一）理想的電流源圖1-52中點(diǎn)畫線框內(nèi)的元件是理想電流源，簡(jiǎn)稱電流源。理想電流源也具有兩個(gè)基本性質(zhì)：（1）產(chǎn)生并輸出恒定電流Is，該電流與所接外電路無(wú)關(guān)，與其端電壓U無(wú)關(guān)。（2）理想電流源的端電壓U由與之相連的外電路決定。理想電流源的外特性如圖所示。這是一條平行于縱軸(U軸)的直線，表明它輸出的電流I始終等于Is,保持恒定，所以理想電流源又稱為恒流源。圖1-52理想電流源的電路模型及其外特性（二）實(shí)際電流源模型一個(gè)實(shí)際電流源的特性可以用理想電流源Is與內(nèi)阻Rs的并聯(lián)組合表示，如圖中用紅色點(diǎn)劃線框圖中的電流源和內(nèi)電阻Rs的并聯(lián)表示實(shí)際的電流源，電路如圖1-53所示，稱為實(shí)際電源的電流源模型。圖1-53實(shí)際電流源電路模型及其伏安特性曲線由于有與電流源Is并聯(lián)的內(nèi)阻Rs的分流作用，所以輸出到負(fù)載R的電流I小于Is。流過(guò)Rs的電流是(U/Rs)，故Is=I+(U/Rs)?？傻脤?shí)際電源中電流源模型的伏安關(guān)系式

經(jīng)變換可得

由上式畫出實(shí)際電源電流源模型的伏安特性曲線如圖1-53所示。當(dāng)負(fù)載端開(kāi)路時(shí)，電流I=0，此時(shí)電流源模型的端電壓最高

。隨著輸出電流I的增加，電壓U降低，表明這個(gè)電路模型能夠表示實(shí)際電源的伏安關(guān)系。通過(guò)以上分析可知，實(shí)際電源的電壓源模型與電流源模型都能夠表示實(shí)際電源的特性。因此，一個(gè)實(shí)際電源在電路中所起的作用，既可以用電壓源模型表示，也可以用電流源模型表示。三、電壓源與電流源之間的等效變換（1）單口網(wǎng)絡(luò)的概念由若干元件組成的部分電路，不論其內(nèi)部如何復(fù)雜，但最終只有兩個(gè)端鈕與電路的其他部分相連。在電路分析中就可以把這部分電路看做是一個(gè)整體，稱之為單口網(wǎng)絡(luò)或二端網(wǎng)絡(luò)，例如圖中點(diǎn)畫線所框部分即為單口網(wǎng)絡(luò)。單口網(wǎng)絡(luò)分為兩類，如圖1.54左側(cè)中不包含電源，稱為不含源單口網(wǎng)絡(luò)，圖1-54右邊中包含電源，稱為含源單口網(wǎng)絡(luò)。圖1-54不含源單口網(wǎng)絡(luò)和含源單口網(wǎng)絡(luò)（2）兩種電源模型的等效變換前面介紹了實(shí)際電源的兩種模型——電壓源模型和電流源模型，而一個(gè)實(shí)際電源在電路中所起的作用既可以用電壓源模型表示，也可以用電流源模型表示。這表明這兩種電源模型之間存在等效變換的關(guān)系。圖1-55所示是一個(gè)電流源Is與電阻Rs并聯(lián)的模型，根據(jù)戴維寧定理很容易得到其等效電路如右圖所示。這樣我就把一個(gè)電壓源模型用電流源模型來(lái)等效變換，等效變換的條件是：圖1-55兩種電源模型的等效變換同樣，把一個(gè)電流源模型等效變換成了電壓源模型，等效變換的條件是

圖1-57兩種電源模型的等效變換任務(wù)實(shí)施一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、測(cè)定電壓源（恒壓源）與實(shí)際電壓源的外特性（1）測(cè)定恒壓源的外特性如圖１-４７所示，電源Ｕｓ用恒壓源中的＋５Ｖ的輸出端，Ｒ１為２００Ω的固定電阻，調(diào)節(jié)電位器ＲＰ(４７０Ω)，令其阻值由大到小變化，分別將電流表、電壓表的讀數(shù)Ｉ１、Ｕ１記錄至表１-１７中。圖1-47電壓源外特性測(cè)試圖表1-17恒壓源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-17恒壓源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）7.468.319.9613.0317.0224.90U1（V）555555.00（2）測(cè)定實(shí)際電壓源的外特性實(shí)驗(yàn)電路如圖所示，將圖中的電壓源改成實(shí)際電壓源，如圖所示，圖中1-48內(nèi)阻R0取51Ω的固定電阻，調(diào)節(jié)電位器Rp，令其阻值由大到小變化，將電流表、電壓表的讀數(shù)記錄表1-18中。圖1-48實(shí)際電壓源的外特性測(cè)試圖RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-18實(shí)際電壓源的外特性曲線表圖1-50實(shí)際電壓源的外特性測(cè)試圖RP(Ω)4704003002001000I1（mA）6.947.699.0311.0214.1220.02U1（V）4.654.614.544.434.273.98表1-19實(shí)際電壓源的外特性曲線表2、測(cè)定電流源（恒流源）與實(shí)際電流源的外特性接線圖如圖1-49所示，圖中Is為恒流源，調(diào)節(jié)其輸出為10mA（用毫安表測(cè)量），Rp取470Ω的電位器，在Rs分別為1KΩ和∞（接入和斷開(kāi)）兩種情況下，調(diào)節(jié)電位器Rp，令其阻值由大至小變化，將電流表、電壓表的讀數(shù)計(jì)入表1-20中。（1）當(dāng)Rs為∞時(shí)，模擬理想電流源，測(cè)得電路中的I1、U1填入表1-19中。圖1-49電流源外特性測(cè)試電路表1-19恒流源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-19恒流源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）10.0010.0010.0010.0010.0010.00U1（V）4.704.012.982.041.010表1-20實(shí)際電流源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

（2）當(dāng)Rs為1KΩ時(shí)，模擬實(shí)際電流源，測(cè)得電路中的I1、U1填入表中1-20。表1-20實(shí)際電流源的外特性測(cè)量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）6.807.147.688.339.1210.00U1（V）3.192.862.321.670.880（2）當(dāng)Rs為1KΩ時(shí)，模擬實(shí)際電流源，測(cè)得電路中的I1、U1填入表中1-21。二、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、在測(cè)電壓源外特性時(shí)，要測(cè)一次空載時(shí)的電壓值，即I1=0A。2、在測(cè)電流源外特性時(shí)，要測(cè)一次短路時(shí)的電流值，即U1=0V。3、連接線路時(shí)，必須關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。4、直流儀表的接入應(yīng)該注意極性與量程。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與思考從實(shí)驗(yàn)中可以得出電壓源和電流源的哪些特性？（提示：電壓源特性從輸出電壓和流過(guò)電壓源的電流方面考慮；電流源特性從輸出電流和電流源端電壓方面考慮。）