電壓源與電流源的等效互換

1、實(shí)驗(yàn)五 電壓源與電流源的等效互換、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)加深對理想電流源和理想電壓源的外特性的認(rèn)識。掌握電流源和電壓源進(jìn)行等效互換的條件。二、原理與說明電壓源恒壓源在一定的電流范圍內(nèi)，具有很小的內(nèi)阻。故在實(shí)用中，常將它視為一個理想 的電壓源，即其輸出電壓不隨負(fù)載電流變化而變化。其外特性，即其伏安特性U f (z) 是一條平行于/軸的直線。實(shí)際電壓源的端電壓是隨負(fù)載的變化而變化，因它具有一定的內(nèi)阻值。故在實(shí)驗(yàn) 中，用一個電阻與恒壓源相串聯(lián)來模擬一個電壓源的情況。電流源電流源是除電壓源以外的另一種形式的電源，它可以產(chǎn)生電流提供給外電路。電流 源可分為理想電流源和實(shí)際電流源(實(shí)際電流源通常簡稱電流源)，理

2、想電流源可以向 外電路提供一個恒值電流，不論外電路電阻的大小如何。理想電流源具有兩個基本性質(zhì)： 第一，它的電流是恒定值，而與其端電壓的大小無關(guān)；第二，理想電流源的端電壓并不 能由它本身決定，而是由與之相聯(lián)接的外電路確定的，理想電流源的伏安特性曲線如圖 5-1所示。實(shí)際電流源當(dāng)其端電壓增大時，通過外電路的電流并非是恒定值，而是要減小的。 端電壓越高，電流下降得越多；反之，端電壓越低通過外電路的電流越大，當(dāng)端電壓為 零時，流過外電路的電流最大為1。實(shí)際電流源可以用一個理想電流源I和一個內(nèi)阻R 相并聯(lián)的電路模型表示。實(shí)際電流源的電路模型及伏安特性如圖5-2所示。(a)(b)某些器件的伏安特性具有近似

3、理想電流源的性質(zhì)。如硅光電池、晶體三極管輸出特 性等。本實(shí)驗(yàn)中的電流源是用晶體管來實(shí)現(xiàn)的。晶體三極管在共基極聯(lián)接時，集電極電流i和集電極與發(fā)射極間的電壓u的關(guān)系如圖5-3所示，由圖可見i = f (u )關(guān)系曲線 ccecce的平坦部分具有恒流特性，當(dāng)u在一定范圍變化時，集電極電流I近乎恒定值，可以近似地將其視為理想電流源。電源的等效變換一個實(shí)際的電源，就其外部特性而言，既可以看成是一個電壓源，也可以看成是一 個電流源。原理證明如下：設(shè)有一個電壓源和一個電流源分別與相同阻值的外電IW相 接，如圖5-4所示。對于圖5-4(a)電壓源來說，電阻R兩端的電壓U和流過R的電流I之 間的關(guān)系可表示為：U

4、 = U - IR或U U U U T 一 一 I = s = s sss圖5-3R(a)R(b)圖5-4對于圖5-4 (b) 表示為：電流源電路來說，電阻R兩端的電壓U和流過它的電流I的關(guān)系可U = I R IR如果兩種電源滿足以下關(guān)系:(5-1)G = 一 s R s則電壓源電路的兩個表達(dá)式可以寫成:(5-2)U = U - IR = I R - IR I R - U i U RR可見表達(dá)式與電流源電路的表達(dá)式是完全相同的，也就是說在滿足(5-1)和(5-2) 式的條件下，兩種電源對外電路電阻R是完全等效的。兩種電源互相替換對外電路將不 發(fā)生任何影響。(5-1)和(5-2)式是電源等效互換

5、的條件。利用它可以很方便地把一個參數(shù)為U$和R的電壓源變換為一個參數(shù)為I =*和R的等效電流源；反之，也可以很容易地 把一個電流源轉(zhuǎn)化成一個等效的電壓源。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟測試?yán)硐腚娏髟吹耐馓匦允褂秒娏髟匆浑妷涸崔D(zhuǎn)換電路實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按圖5-5 (a)聯(lián)結(jié)電路，選擇開 關(guān)K為打開狀態(tài)，此時為理想電流源實(shí)驗(yàn)電路，其等效電路如圖5-5 (b)所示。RIILRc1KQ RTRe4VMiEe15V11E(a) C(b)圖5-5圖中E和E由直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供，調(diào)節(jié)電位器R使I =8mA。按表5-1中的數(shù)值從小到大依次調(diào)節(jié)電阻Rl的值，測試出被測參數(shù) 和Ul的數(shù)值，并記錄在表5-1中。表5-1給定值R

6、l (Q)02004006008001K測量值II (mA)UL測試實(shí)際電流源的外特性將圖5-5 (a)中開關(guān)K閉合，此時為實(shí)際電流源實(shí)驗(yàn)電路，該電路可用圖5-6 (a) 表示，其等效電路如圖5-6 (b)所示，其中R =1KQ。調(diào)節(jié)R使I =8mA，按表5-2中的數(shù)值從小到大依次調(diào)節(jié)電阻R的數(shù)值，測試出被測 參數(shù)I和U的數(shù)值，并記錄在表5-2中。測試電流源與電壓源等效變換的條件根據(jù)兩種電源等效變換的條件，圖5-6所示實(shí)際電流源，可以等效變換成一個實(shí)際 電壓源如圖5-7所示，其參數(shù)為：U I R , R =1KQ使用相關(guān)的儀器設(shè)備，按照圖5-7線路和給出的元件參數(shù)接線。改變Rl使其分別為表5-

7、3中數(shù)值，測試出被測參數(shù) 和U匚的數(shù)值，并記錄在表5-3中。比較表5-2和表5 3中的數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證了實(shí)際電流源(圖5-6)與實(shí)際電壓源 (圖5-7)的等效性。(a)(b)圖5-6圖5-7四、注意事項(xiàng)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源給電流源一電壓源等效變換實(shí)驗(yàn)板中的E和E提供電壓，接線時必須注意電壓的極性，做到接線正確。更換線路時，必須關(guān)閉直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。五、預(yù)習(xí)與思考1電壓源和電流源的外特性為什么呈下降變化趨勢？電壓源和電流源等效變換的條件是什么？根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路，自擬表5-2和表5-3，將測量數(shù)據(jù)記錄在相應(yīng)的表格中。六、實(shí)驗(yàn)報告要求1根據(jù)表5-1，表5-2,表5-3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一個坐標(biāo)系下繪制出理想電流 源、實(shí)際電流源以及實(shí)際電壓源的伏安特性曲線。2.回答下列問題： 電壓源和電流源等效變換的條件是什么？ 理想電流源和理想電壓源是否