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1.4 电压源与电流源

独立电源 (Independent Source)是实际电源的理想化电路元件模型,包括 电压源 (Voltage Source)和 电流源 (Current Source)。每种又分为理想电源和实际电源。

1.4.1 理想电压源

理想电压源简称电压源,用 U S 表示,是一个二端元件。理想电压源输出的电压恒定,其电压大小与外接的电路无关,电压源的电流由外接电路确定。直流电压源的符号如图1.4.1(a)所示,图1.4.1(b)所示是一般电压源的符号,图1.4.1(c)所示是电压源的伏安特性。

图1.4.1 理想电压源符号及其伏安特性

1.4.2 理想电流源

理想电流源简称电流源,用 I S 表示,是一个二端元件。电流源输出的电流恒定,其电流大小与外接的电路无关,电流源的电压由外接电路确定。电流源的符号如图 1.4.2(a)所示,图1.4.2(b)所示是电流源的伏安特性。

理想电压源内阻为零,并永恒向外提供固定值(或某函数)的电压;理想电流源内阻无穷大,并永恒向外提供固定值(或某函数)的电流。电压源的电压可以为零,此时电压源相当于短路线。电流源的电流可以为零,此时电流源相当于开路。

图1.4.2 理想电流源符号及其伏安特性

1.4.3 实际电源

实际电源在向负载提供电能的同时自身也会消耗一部分电能,这种实际电源自身对电能的消耗可用一个电阻 R S 来描述。 R S 称为实际电源的内阻。实际电源有内阻,且随着使用时间的不同,输出电流值和电压值都会变化。许多笔记本电脑用户都有同感:长时间使用笔记本后,最热的地方不是机身表面,也不是出风口附近,而是笔记本电脑旁边的电源适配器,拿起来往往会有烫手的感觉,更严重的是出现啸叫、冒烟等故障。笔记本电脑适配器是一个高精密、高效率的开关型稳压电源,其作用是把 220V 的交流电转换为低压直流电,它是一个实际电源,有内阻。当电源输出电流时,会在内部产生电压降,等于输出电流乘以电源内阻。电压降会导致两个问题:一个是产生热量,等于输出电流的平方乘以内阻,所以电源会发热;另一个是输出电压变为标称电压减去内部压降,导致输出电压降低。

1.实际电压源

实际电源模型可以由理想电压源 U S 和内阻 R S 串联组成,如图1.4.3所示。实际电压源伏安关系为

图1.4.3 实际电压源模型及端口的伏安特性

R S =0,即为理想电压源。 U OC 为开路电压,是指电路开路时端口两端的电压。 I SC 为短路电流,是指端口短路时,端口两端的电流。这里 U OC = U S

2.实际电流源

实际电流源模型可以由理想电流源 I S 和内阻 R S 并联组成,如图1.4.4所示。

图1.4.4 实际电流源模型及端口的伏安特性

其端口伏安特性可表示为

R S →∞,则为理想电流源。实际电流源开路电压和短路电流分别为

【例1.4.1】 在图1.4.5所示直流电路中,已知负载的额定功率 P =80W,额定电压 U =40V,内阻 R S =0.5Ω,负载可调,试求:(1)在额定工作状态下的电流及负载电阻;(2)开路电压 U OC ;(3)短路电流 I SC

图1.4.5 例1.4.1电路

解: (1) 根据式(1.2.5),可得 ,又根据式(1.3.1)得

(2)根据式(1.4.1),可得 U OC = U S = U + IR S =40+2×0.5=41(V)。

(3) .

由此可见,本题中短路电流是额定电流的 41 倍。由于一般内阻较小,故不可以将电压源短路,否则会因为短路电流太大而烧毁电源,因此电压源在实际使用时必须加电阻进行短路保护。

【例1.4.2】 计算如图1.4.6所示电路中的电压 U 、电流 I 及理想电压源、理想电流源的功率。

图1.4.6 例1.4.2电路

解: 由电路图可得 I =3A (由于电路中存在恒流源),在电路元件两端依顺时针标上abcd,则 -I ×1+ U-I ×2-6=0,

由于理想电流源的电压与电流是非关联的,所以 P 3A = -U ×1=-15×3=-45(W)(产生)。

由于理想电压源的电压与电流是关联的,所以 P 6V = U × I =6×3=18(W) (吸收)。

注意,电压源和电流源在电路中不一定都是提供功率充当电源,也可能吸收功率起负载作用,如充电器给蓄电池充电,蓄电池就是吸收功率的。 kMeI90vQV76bUDn2F4w0zFy9H7rkzWdet+XAM5THjuHfqEakXhUFyOD9BTHdN9sj

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