电工电子技术 课件 1任务六 电压源与电流源特性分析实验

任务六、电压源与电流源特性分析实验电工电子技术

黄燕华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?

任务导学同学们，大家知道电源有电压源和电流源两种，他们所起的作用都是相同的，在电路中起到激励的作用，那理想的电压源和电流源分别有哪些基本的性质呢？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，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，理想电压源又称为恒压源。（2）流过理想电压源的电流完全由与之相连的外电路确定。理想电流源也具有两个基本性质：（1）产生并输出恒定电流Is，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。

任务情境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Ｕｓ用恒压源中的＋５Ｖ的输出端，Ｒ１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Ｉ１、Ｕ１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RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

（2）测定实际电压源的外特性实验电路如图所示，将图中的电压源改成实际电压源，如图所示，图中1-48内阻R0取51Ω的固定电阻，调节电位器Rp，令其阻值由大到小变化，将电流表、电压表的读数记录表1-18中。图1-48实际电压源的外特性测试图RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-18实际电压源的外特性曲线表2、测定电流源（恒流源）与实际电流源的外特性接线图如图1-49所示，图中Is为恒流源，调节其输出为10mA（用毫安表测量），Rp取470Ω的电位器，在Rs分别为1KΩ和∞（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1-20中。（1）当Rs为∞时，模拟理想电流源，测得电路中的I1、U1填入表1-19中。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RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-20实际电流源的外特性测量值记录表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

（2）当Rs为1KΩ时，模拟实际电流源，测得电路中的I1、U1填入表中1-20。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I1=0A。2、在测电流源外特性时，要测一次短路时的电流值，即U1=0V。3、连接线路时，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？（提示：电压源特性从输出电压和流过电压源的电流方面考虑；电流源特性从输出电流和电流源端电压方面考虑。）知识链接一、电压源二、电流源

三、电压源与电流源之间的等效变换

一、电压源（一）理想的电压源图1-50所示点画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，理想电压源又称为恒压源。（2）流过理想电压源的电流完全由与之相连的外电路确定。图1-50理想电压源的电路模型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1-50所示，它是一条平行于水平轴(I轴)的直线。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（二）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，内阻压降增加（内阻的压降等于流过的电流乘与内阻），造成电源的端电压降低，图1-51中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R0的串联电路模型表示，称为实际电源的电压源模型，如图1.51所示。这种实际电源模型的伏安关系式伏安特性曲线表示在图1-51中。端电压U随着电流I增加而下降，内阻R0越小，曲线就越平直,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（一）理想的电流源图1-52中点画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Is，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Is,保持恒定，所以理想电流源又称为恒流源。图1-52理想电流源的电路模型及其外特性（二）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Is与内阻Rs的并联组合表示，如图中用红色点划线框图中的电流源和内电阻Rs的并联表示实际的电流源，电路如图1-53所示，称为实际电源的电流源模型。图1-53实际电流源电路模型及其伏安特性曲线由于有与电流源Is并联的内阻Rs的分流作用，所以输出到负载R的电流I小于Is。流过Rs的电流是(U/Rs)，故Is=I+(U/Rs)。可得实际电源中电流源模型的伏安关系式

经变换可得

由上式画出实际电源电流源模型的伏安特性曲线如图1-53所示。当负载端开路时，电流I=0，此时电流源模型的端电压最高

。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源的伏安关系。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，但最终只有两个端钮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做是一个整体，称之为单口网络或二端网络，例如图中点画线所框部分即为单口网络。单口网络分为两类，如图1.54左侧中不包含电源，称为不含源单口网络，图1-54右边中包含电源，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（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。这表明这两种电源模型之间存在等效变换的关系。图1-55所示是一个电流源Is与电阻Rs并联的模型，根据戴维宁定理很容易得到其等效电路如右图所示。这样我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：图1-55两种电源模型的等效变换同样，把一个电流源模型等效变换成了电压源模型，等效变换的条件是

图1-57两种电源模型的等效变换任务实施一、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Ｕｓ用恒压源中的＋５Ｖ的输出端，Ｒ１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Ｉ１、Ｕ１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RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-17恒压源的外特性测量值记录表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）7.468.319.9613.0317.0224.90U1（V）555555.00（2）测定实际电压源的外特性实验电路如图所示，将图中的电压源改成实际电压源，如图所示，图中1-48内阻R0取51Ω的固定电阻，调节电位器Rp，令其阻值由大到小变化，将电流表、电压表的读数记录表1-18中。图1-48实际电压源的外特性测试图RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-18实际电压源的外特性曲线表图1-50实际电压源的外特性测试图RP(Ω)4704003002001000I1（mA）6.947.699.0311.0214.1220.02U1（V）4.654.614.544.434.273.98表1-19实际电压源的外特性曲线表2、测定电流源（恒流源）与实际电流源的外特性接线图如图1-49所示，图中Is为恒流源，调节其输出为10mA（用毫安表测量），Rp取470Ω的电位器，在Rs分别为1KΩ和∞（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1-20中。（1）当Rs为∞时，模拟理想电流源，测得电路中的I1、U1填入表1-19中。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RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

表1-19恒流源的外特性测量值记录表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）10.0010.0010.0010.0010.0010.00U1（V）4.704.012.982.041.010表1-20实际电流源的外特性测量值记录表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）

U1（V）

（2）当Rs为1KΩ时，模拟实际电流源，测得电路中的I1、U1填入表中1-20。表1-20实际电流源的外特性测量值记录表RP(Ω)4704003002001000I1（mA）6.807.147.688.339.1210.00U1（V）3.192.862.321.670.880（2）当Rs为1KΩ时，模拟实际电流源，测得电路中的I1、U1填入表中1-21。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I1=0A。2、在测电流源外特性时，要测一次短路时的电流值，即U1=0V。3、连接线路时，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？（提示：电压源特性从输出电压和流过电压源的电流方面考虑；电流源特性从输出电流和电流源端电压方面考虑。）