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2.3 电压源与电流源及其等效变换

电源是将其他形式的能量(如化学能、机械能、太阳能、风能等)转换成电能后提供给电路中的设备。

2.3.1 电压源和电流源

这里所讲的电压源和电流源都是理想化的电压源和电流源。

1.电压源

电压源是指理想电压源,即内阻为零,且电源两端的端电压值恒定不变(直流电压),如图2-12所示。

图2-12 电压源

图2-13 直流电压源的伏安特性曲线

它的特点是电压的大小取决于电压源本身的特性,与流过的电流无关。流过电压源的电流大小与电压源外部电路有关,由外部负载电阻决定。因此,它称之为独立电压源。

电压为 U S 的直流电压源的伏安特性曲线,是一条平行于横坐标的直线,如图2-13所示,特性方程

U = U S (2-9)

如果电压源的电压 U S =0,则此时电压源的伏安特性曲线,就是横坐标,也就是电压源相当于短路。

2.电流源

电流源是指理想电流源,即内阻为无限大、输出恒定电流 I S 的电源。如图2-14所示。它的特点是电流的大小取决于电流源本身的特性,与电源的端电压无关。端电压的大小与电流源外部电路有关,由外部负载电阻决定。因此,也称之为独立电流源。

电流为 I S 的直流电流源的伏安特性曲线,是一条垂直于横坐标的直线,如图2-15所示,特性方程:

I = I S (2-10)

如果电流源短路,流过短路线路的电流就是 I S ,而电流源的端电压为零。

图2-14 电流源

图2-15 直流电流源的伏安特性曲线

2.3.2 实际电源的模型

1.实际电压源

实际电压源可以用一个理想电压源 U S 与一个理想电阻 r 串联组合成一个电路来表示,如图2-16a所示。特征方程:

U = U S - I · r (2-11)

实际电压源的伏安特性曲线如图2-16b所示,可见电源输出的电压随负载电流的增加而下降。

2.实际电流源

实际电流源可以用一个理想电流源 I S 与一个理想电导 G 并联组合成一个电路来表示,如图2-17a所示,特征方程

I = I S - UG (2-12)

图2-16 实际电压源模型

a)实际电压源 b)实际电压源的伏安特性曲线

图2-17 实际电流源模型

a)实际电流源 b)实际电流源的伏安特性曲线

实际电流源的伏安特性曲线如图2-17b所示,可见电源输出的电流随负载电压的增加而减少。

【例2.5】 在图2-16中,设 U S =20V, r =1Ω,外接电阻 R =4Ω,求电阻 R 上的电流 I

解: 根据式(2-11) U = U S - I · r = IR

则有

【例2.6】 在图2-17中,设 I S =5A, r =1Ω,外接电阻 R =9Ω,求电阻 R 上的电压 U 解: 根据式(2-12)

则有 xz+JKSKXSKo0ujYcVyyfoQ4OYZ+9qjtmB7taDWiMcdcCTSaDXZUzFSlp1H7lYH2s

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