《電壓》課件實驗三

實驗三電壓源外特性與戴維寧定理

(一)實驗儀器和器材介紹

本實驗所用儀器和器材與實驗一相同，可參見實驗一的介紹。

(二)實驗指導

1.課前預習

(1)計算圖Ⅱ.3-5所示網(wǎng)絡(luò)A的戴維寧等效電路參數(shù)U0

和Ri。

(2)畫出圖Ⅱ.3-5所示線路在插接式實驗板上的連接圖。(3)閱讀本實驗指導書，了解實驗內(nèi)容和步驟。了解等效電壓源參數(shù)的測量方法。

2.實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握電壓源外特性測試方法，了解電源內(nèi)阻對電源輸出特性的影響。

(2)驗證戴維寧定理，學習用實驗方法測量等效電壓源的參數(shù)。

3實驗原理

1)電壓源外特性

電壓源外特性也稱伏安特性，是對電源輸出端電壓/伏和電流/安之間關(guān)系的描述。電壓源的等效電路如圖Ⅱ.3-1(a)所示，由恒壓電源E和內(nèi)阻Ri串聯(lián)組成，它的端電壓隨輸出電流的變化而變化，有

U=E－RiI

(3-1)其伏安特性(外特性)如圖Ⅱ.3-1(b)所示。對于理想電壓源，Ri=0,端電壓U≡E不隨輸出電流I變化，如曲線①所示。實際的電壓源Ri≠0，輸出電壓隨電流增加而下降，如曲線②所

示。內(nèi)阻不同，曲線下降的速率也不同。內(nèi)阻越小，電壓源外特性越趨理想，故內(nèi)阻大小成為衡量電壓源特性的重要指標之一。在工程上，內(nèi)阻的大小是相對負載值而言的，若負載電阻RL>>Ri，則近似認為Ri=0，電壓源是理想的，否則認為Ri≠0的電壓源不是理想的。目前，電子穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻可達毫歐數(shù)量級。外特性曲線斜率的絕對值就是內(nèi)阻Ri。圖Ⅱ.3-1電壓源及其外特性

2)戴維寧定理

任何一個包含獨立電源或非獨立電源的線性單口網(wǎng)絡(luò)，都可以等效為一個電壓源，如圖Ⅱ.3-2所示。其理想電壓源U0為網(wǎng)絡(luò)ab端的開路電壓，內(nèi)阻Ri是在使網(wǎng)絡(luò)中所有獨立電源為零(把獨立電壓源E短路、獨立電流源J斷開)而保留非獨立電源的情況下，自ab端向網(wǎng)絡(luò)看進去的等效電阻。等效電源的Ri和U0可以計算得出，也可由實驗測得。圖Ⅱ.3-2線性有源網(wǎng)絡(luò)等效為電壓源

(1)用高內(nèi)阻(相對于等效電源內(nèi)阻而言)電壓表可直接測量ab端開路電壓Uab,則U0等于Uab,然后用低內(nèi)阻電流表測量

ab端短路電流I0，則內(nèi)阻Ri=U0/I0。

(2)如果線性網(wǎng)絡(luò)不允許ab端開路或短路時，可以測量外特性曲線(在ab端不開路也不短路的情況下測量)，則外特性曲線的延伸線在縱坐標(電壓坐標)上的截距就是U0，在橫坐標(電流坐標)上的截距就是I0，而Ri=U0/I0,如圖Ⅱ.3-3所示。圖Ⅱ.3-3線性有源網(wǎng)絡(luò)外特性實際上只要知道外特性曲線上的任意兩點的坐標參數(shù)，就可以計算出U0和Ri,計算公式如下：

設(shè)圖Ⅱ.3-3中外特性曲線上兩點a、b的坐標分別為

(Ua,Ia)和(Ub,Ib)，則(3-3)(3-2)

4.實驗內(nèi)容與步驟

1)測量電壓源外特性

測量方案如圖Ⅱ.3-4所示，E由穩(wěn)壓電源提供。因穩(wěn)壓電源內(nèi)阻很小(毫歐級)，比實驗電路中的RL值小得多，近似為零，故其外特性接近理想，用普通萬用表難以分辨輸出電壓的變化。圖Ⅱ.3-4電壓源外特性的測量

(1)以萬用表作為指示，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，使其開路電壓E=10V,然后按圖Ⅱ.3-4連接線路。注意圖中的R和RL均為電阻箱，只要用導線將穩(wěn)壓電源和兩個電阻箱連成閉合回路即可。本實驗的數(shù)據(jù)是否正確，關(guān)鍵在于：①穩(wěn)壓電源輸出的10V電壓，一定要用萬用表直流電壓10V擋認真測定正確無誤。

②不要讀錯電壓表刻度尺，不要將交流10Ｖ擋的刻度尺當作為直流10V擋的刻度尺來讀數(shù)?！?/p>

(2)令R=0，按表Ⅱ.3-1所列數(shù)據(jù)從5kΩ開始依次改變

RL值，測量并記錄RL上的電壓U。表Ⅱ.3-1中電流I值是間接測量值，I=U/RL。

(3)令R分別等于150Ω和680Ω，測量U和I值。

2)驗證戴維寧定理

（1）測量只含獨立電源的線性網(wǎng)絡(luò)外特性。按圖Ⅱ.3-5在插接式實驗板上連接實驗電路，E=10V由直流穩(wěn)壓電源提供。按表Ⅱ.3-2所列數(shù)據(jù)改變RL值，用萬用表直流電壓

10V擋測量RL兩端電壓，測量數(shù)據(jù)記入表Ⅱ.3-2中。圖Ⅱ.3-5網(wǎng)絡(luò)A（2）戴維寧等效電路的驗證。根據(jù)圖Ⅱ.3-5網(wǎng)絡(luò)A的

戴維寧等效電路參數(shù)U0和Ri理論計算值(U0和Ri應(yīng)在預習時進行計算)，組成網(wǎng)絡(luò)A的戴維寧等效電路，如圖Ⅱ.3-6所示。圖中U0用直流穩(wěn)壓電源，注意將穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)至

已計算好的U0值。圖Ⅱ.3-6網(wǎng)絡(luò)A的等效電路

Ri用電阻箱，調(diào)至已計算好的Ri值。RL也用電阻箱，按表Ⅱ.3-2給定的值改變RL值，用萬用表測量RL兩端電壓，記入表Ⅱ.3-2內(nèi)(注意表Ⅱ.3-2已在上一個實驗中用過，本實驗應(yīng)另畫一張表Ⅱ.3-2)。根據(jù)表內(nèi)的數(shù)據(jù)畫曲線，并與上一個實驗網(wǎng)絡(luò)A的曲線加以比較，并得出結(jié)論。

5.討論題

(1)一電壓源，其U0和Ri均未知。試利用負載電阻