电工电子技术最新章节_黄燕华著

任务六
电压源与电流源特性分析实验

任务导学

常用的两种电源为电压源和电流源，理想的电压源和电流源具有哪些基本性质？

任务说明

利用可调直流稳压电源（0～30V可调）、恒流源（0～1A可调）、直流数字电压表、直流数字电流表、实验电路板等建立电源模型，根据测试结果分析并验证电压源和电流源特性。

任务实施

一、实验内容与步骤

1.测定电压源（恒压源）与实际电压源的外特性

（1）测定恒压源的外特性

如图1-47所示，电源 U _S 用恒压源中的+5V的输出端， R ₁ 为200Ω的固定电阻，调节电位器RP（470Ω），令其阻值由大到小变化，分别将电流表、电压表的读数 I ₁ 、 U ₁ 记录至表1-17中。

图1-47 电压源外特性测试图

表1-17 恒压源的外特性测量值记录表

（2）测定实际电压源的外特性

如图1-48所示，将恒压源改成实际电压源， R ₀ 为51Ω的固定电阻，调节电位器RP，令其阻值由大到小变化，分别将电流表、电压表的读数记录至表1-18中。

表1-18 实际电压源的外特性测量值记录表

2.测定电流源（恒流源）与实际电流源的外特性

如图1-49所示， I _S 为恒流源，调节其输出为10mA（用毫安表测量），在 R _S 分别为1kΩ（接入）和∞（断开）两种情况下，调节电位器RP，令其阻值由大至小变化，将电流表、电压表的读数计入表1-19和表1-20中。

测定电流源（恒流源）与实际电流源的外特性。

1）当 R _S 为∞时，模拟理想电流源，测得电路中的 I ₁ 、 U ₁ 填入表1-19中。

图1-48 实际电压源的外特性测试图

图1-49 电流源外特性测试电路

表1-19 恒流源的外特性测量值记录表

2）当 R _S 为1kΩ时，模拟实际电流源，测得电路中的 I ₁ 、 U ₁ 填入表1-20中。

表1-20 实际电流源的外特性测量值记录表

二、实验注意事项

1）在测电压源外特性时，要测一次空载时的电压值，即 I ₁ =0A。

2）在测电流源外特性时，要测一次短路时的电流值，即 U ₁ =0V。

3）连接电路时，必须关闭电源开关。

4）直流仪表的接入应该注意极性与量程。

三、实验结论与思考

从实验中可以得出电压源和电流源的哪些特性？

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知识链接

电阻元件、电感元件和电容元件都属于无源元件，而电压源、电流源是两种电源元件，实际使用的电源种类繁多，但它们在电路中所起的作用却是相同的。电源在电路中起激励作用，在电源的作用下，电路产生电流和电压（响应）。因此，在电路理论中，有时就把电源称为激励，而把 电流和电压 称为响应。从能量的观点看，电源是电路中电能的来源。在分析、归纳了所有电源的共性之后，可以得到两种电源模型： 电压源和电流源 。

一、电压源

1.理想的电压源

如图1-50a所示，点划线框内的元件是一种理想的电源元件，称为 理想电压源 ，简称电压源。理想电压源具有 两个基本性质 ：

1）元件的端电压 U 等于电动势 E ，并保持为 恒定值 。该恒定值 U 与外电路无关，与流过它的电流无关。因此，理想电压源又称 恒压源 。

2）流过理想电压源的电流完全由 与之相连的外电路确定 。

电源元件的特性用它的端电压 U 与输出电流 I 的关系表示，这就是电源的伏安特性，又称电源的外特性。理想电压源的外特性如图1-50b所示，它是一条 平行于水平轴（ I 轴）的直线 。图中表明当外接负载电阻变化时，电源提供的电流变化，但其端电压始终保持恒定 U = E 。

图1-50 理想电压源的电路模型及其外特性

2.实际电压源模型

理想电压源的这种理想情况显然是不存在的。以电池为例，随着输出电流的加大，其端电压不是保持不变，而是略有降低。这是因为实际电源总会有一定的内电阻，当输岀电流增加时，内阻电压降增加，造成电源的端电压降低，图1-51a点划线框内为实际电压源模型。这种实际电源的特性可以用一个理想电压源（电动势为 E ）与等效内电阻 R ₀ 的 串联电路 模型表示，称为实际电源的电压源模型。这种实际电源模型的伏安关系式为

伏安特性曲线表示在图1-51b中。端电压 U 随着电流 I 增加而下降，内阻 R ₀ 越小，特性曲线就越靠近图中的虚线，就越接近理想情况。

图1-51 实际电压源的电路模型及其伏安特性曲线

二、电流源

1.理想的电流源

图1-52a中点划线框内的元件是 理想电流源 ，简称 电流源 。理想电流源也具有 两个基本性质：

1）产生并输出 恒定电流 I _S ，该电流与所接外电路无关，与其端电压 U 无关。

2）理想电流源的 端电压 U 由与之相连的外电路决定 。

理想电流源的外特性如图1-52b所示。这是一条平行于纵轴（ U 轴）的直线，表明它输出的电流 I 始终等于 I _S ，保持恒定，所以理想电流源又称 恒流源 。

图1-52 理想电流源的电路模型及其外特性

2.实际电流源模型

一个实际电流源的特性可以用理想电流源 I _S 与内阻 R _S 的 并联组合 表示，图1-53a所示点划线框图中的电流源和内电阻 R _S 的并联表示实际的电流源，称为实际电源的电流源模型。

由于有内阻 R _S 的分流作用，所以输出到负载 R 的电流 I 小于 I _S 。流过 R _S 的电流是（ U / R _S ），故 I _S = I +（ U / R _S ）。可得实际电源中电流源模型的伏安关系式为

经变换可得

由式（1-27）得到实际电流源模型的伏安特性曲线如图1-53b所示。当负载端开路时，电流 I =0，此时电流源模型的端电压（ U = I _S R _S ）最高。随着输出电流 I 的增加，电压 U 降低，表明这个电路模型能够表示实际电流源的伏安关系。

图1-53 实际电流源电路模型及其伏安特性曲线

通过以上分析可知，实际电源的电压源模型与电流源模型都能够表示实际电源的特性。

因此，一个实际电源在电路中所起的作用，既可以用电压源模型表示，也可以用电流源模型表示。

三、电压源与电流源之间的等效变换

1.单口网络的概念

由若干元件组成的部分电路，不论其内部如何复杂，但最终只有两个端口与电路的其他部分相连。在电路分析中就可以把这部分电路看作一个整体，称为 单口网络或二端网络 ，例如，图1-54中点划线所框部分即为单口网络。单口网络分为两类，图1-54a中不包含电源，称为 不含源单口网络 ；图1-54b中包含电源，称为 含源单口网络 。

图1-54 不含源单口网络和含源单口网络

单口网络作为一个整体，它在电路中所起的作用，对电路其余部分的影响 完全由其端口间的电流、电压确定，即由端口的伏安关系确定。

2.两种电源模型的等效变换

前面介绍了实际电源的两种模型——电压源模型和电流源模型，而一个实际电源在电路中所起的作用既可以用电压源模型表示，也可以用电流源模型表示。这表明两种电源模型之间存在等效变换的关系。

图1-55a所示是一个电压源 E 与电阻 R ₀ 并联的模型，根据戴维南定理，得到其等效电路如图1-55b所示。这样就把一个电压源模型用电流源模型来等效变换，等效变换的条件是

同样，把一个电流源模型等效变换成电压源模型，等效变换的条件是

图1-55 两种电源模型的等效变换

巩固提高

一、选择题

1.理想电压源输出恒定的电压，其输出电流（）。

A.恒定不变

B.等于零

C.由内电阻决定

D.由外电路决定

2.理想电流源输出恒定的电流，其输出端电压（）。