電工電子技術 課件 1任務六 電壓源與電流源特性分析實驗

任務六、電壓源與電流源特性分析實驗電工電子技術

黃燕華任務導學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)?

任務導學同學們，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基本性質(zhì)：（1）元件的端電壓U等于電動勢E，保持為恒定值。該恒定值U與外電路無關，與流過它的電流無關。因此，理想電壓源又稱為恒壓源。（2）流過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關，與其端電壓U無關。（2）理想電流源的端電壓U由與之相連的外電路決定。

任務情境利用可調(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、實驗電路板等建立電源模型，根據(jù)測試結(jié)果分析并驗證電壓源和電流源特性。任務實施一、實驗內(nèi)容與步驟1、測定電壓源（恒壓源）與實際電壓源的外特性（1）測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電壓源外特性測試圖表1-17恒壓源的外特性測量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

（2）測定實際電壓源的外特性實驗電路如圖所示，將圖中的電壓源改成實際電壓源，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實際電壓源的外特性測試圖RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-18實際電壓源的外特性曲線表2、測定電流源（恒流源）與實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（用毫安表測量），Rp取470Ω的電位器，在Rs分別為1KΩ和∞（接入和斷開）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)計入表1-20中。（1）當Rs為∞時，模擬理想電流源，測得電路中的I1、U1填入表1-19中。圖1-49電流源外特性測試電路表1-19恒流源的外特性測量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

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

U1（V）

（2）當Rs為1KΩ時，模擬實際電流源，測得電路中的I1、U1填入表中1-20。二、實驗注意事項1、在測電壓源外特性時，要測一次空載時的電壓值，即I1=0A。2、在測電流源外特性時，要測一次短路時的電流值，即U1=0V。3、連接線路時，必須關閉電源開關。4、直流儀表的接入應該注意極性與量程。三、實驗結(jié)論與思考從實驗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，簡稱電壓源。理想電壓源具有兩個基本性質(zhì)：（1）元件的端電壓U等于電動勢E，并保持為恒定值。該恒定值U與外電路無關，與流過它的電流無關。因此，理想電壓源又稱為恒壓源。（2）流過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。表明當外接負載電阻變化時，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。這是因為實際電源總會有一定的內(nèi)電阻，當輸岀電流增加時，內(nèi)阻壓降增加（內(nèi)阻的壓降等于流過的電流乘與內(nèi)阻），造成電源的端電壓降低，圖1-51中點劃線框內(nèi)為實際電壓源模型。這種實際電源的特性可以用一個理想電壓源(電動勢為E)與等效內(nèi)電阻R0的串聯(lián)電路模型表示，稱為實際電源的電壓源模型，如圖1.51所示。這種實際電源模型的伏安關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中點畫線框內(nèi)的元件是理想電流源，簡稱電流源。理想電流源也具有兩個基本性質(zhì)：（1）產(chǎn)生并輸出恒定電流Is，該電流與所接外電路無關，與其端電壓U無關。（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）實際電流源模型一個實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，如圖中用紅色點劃線框圖中的電流源和內(nèi)電阻Rs的并聯(lián)表示實際的電流源，電路如圖1-53所示，稱為實際電源的電流源模型。圖1-53實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，所以輸出到負載R的電流I小于Is。流過Rs的電流是(U/Rs)，故Is=I+(U/Rs)。可得實際電源中電流源模型的伏安關系式

經(jīng)變換可得

由上式畫出實際電源電流源模型的伏安特性曲線如圖1-53所示。當負載端開路時，電流I=0，此時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，表明這個電路模型能夠表示實際電源的伏安關系。通過以上分析可知，實際電源的電壓源模型與電流源模型都能夠表示實際電源的特性。因此，一個實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)絡的概念由若干元件組成的部分電路，不論其內(nèi)部如何復雜，但最終只有兩個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整體，稱之為單口網(wǎng)絡或二端網(wǎng)絡，例如圖中點畫線所框部分即為單口網(wǎng)絡。單口網(wǎng)絡分為兩類，如圖1.54左側(cè)中不包含電源，稱為不含源單口網(wǎng)絡，圖1-54右邊中包含電源，稱為含源單口網(wǎng)絡。圖1-54不含源單口網(wǎng)絡和含源單口網(wǎng)絡（2）兩種電源模型的等效變換前面介紹了實際電源的兩種模型——電壓源模型和電流源模型，而一個實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系。圖1-55所示是一個電流源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。這樣我就把一個電壓源模型用電流源模型來等效變換，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實施一、實驗內(nèi)容與步驟1、測定電壓源（恒壓源）與實際電壓源的外特性（1）測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電壓源外特性測試圖表1-17恒壓源的外特性測量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-17恒壓源的外特性測量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）7.468.319.9613.0317.0224.90U1（V）555555.00（2）測定實際電壓源的外特性實驗電路如圖所示，將圖中的電壓源改成實際電壓源，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實際電壓源的外特性測試圖RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-18實際電壓源的外特性曲線表圖1-50實際電壓源的外特性測試圖RP(Ω)4704003002001000I1（mA）6.947.699.0311.0214.1220.02U1（V）4.654.614.544.434.273.98表1-19實際電壓源的外特性曲線表2、測定電流源（恒流源）與實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（用毫安表測量），Rp取470Ω的電位器，在Rs分別為1KΩ和∞（接入和斷開）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)計入表1-20中。（1）當Rs為∞時，模擬理想電流源，測得電路中的I1、U1填入表1-19中。圖1-49電流源外特性測試電路表1-19恒流源的外特性測量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

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

U1（V）

（2）當Rs為1KΩ時，模擬實際電流源，測得電路中的I1、U1填入表中1-20。表1-20實際電流源的外特性測量值記錄表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）6.807.147.688.339.1210.00U1（V）3.192.862.321.670.880（2）當Rs為1KΩ時，模擬實際電流源，測得電路中的I1、U1填入表中1-21。二、實驗注意事項1、在測電壓源外特性時，要測一次空載時的電壓值，即I1=0A。2、在測電流源外特性時，要測一次短路時的電流值，即U1=0V。3、連接線路時，必須關閉電源開關。4、直流儀表的接入應該注意極性與量程。三、實驗結(jié)論與思考從實驗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。）