电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

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一个电源可以用两种不同的电路模型来表示。一种是用电压的形式来表示,称为电压源;一种是用电流的形式来表示,称为电流源。

1、电压源

任何一个电源,例如发电机、电池或各种信号源,都含有电动势E和内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换。在分析与计算电路时,往往把它们分开,组成的电路模型如图1.17所示,此即电压源。图中,U是电源端电压,R是负载电阻,I是负载电流。

根据图1所示的电路,可得出

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换   (1)

由此可作出电压源的外特性曲线,如图2所示。当电压源开路时,I=0,电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换;当短路时,U=0,电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换。内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换愈小,则直线愈平。

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换 电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换 电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换
图1电压源电路图 2电压源和理想图 3理想电压源电路

电压源的外特性曲线

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换=0时,电压U恒等于电动势E,是一定值,而其中的电流I则是任意的,由负载电阻R及电压U本身确定。这样的电源称为理想电压源或恒压源,其符号及电路如图3所示。它的外特性曲线将是与横轴平行的一条直线,如图2所示。

理想电压源是理想的电源。如果一个电源的内阻远小于负载电阻,即电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换时,则内阻电压降电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换,于是电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换,基本上恒定,可以认为是理想电压源。通常用的稳压电源也可认为是一个理想电压源。

2、电流源

电源除用电动势E和内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换的电路模型来表示外,还可以用另一种电路模型来表示。

如将式(1)两端除以电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换,则得

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换   (2)

式中,电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换为电源的短路电流;I还是负载电流;而电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换是引出的另一个电流。如用电路图表示,则如图4所示。

图4是用电流来表示的电源的电路模型,此即电流源,两条支路并联,其中电流分别为电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换。对负载电阻R讲,和图1是一样的,其上电压U和通过的电流I未有改变。

由式 (2)可作出电流源的外特性曲线,如图1.21所示。当电流源开路时,I=0,电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换;当短路时,U=0,I=电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换。内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换愈大,则直线愈陡。

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换 电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换 电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换
图4 电流源电路 图5 电流源和理想 图6理想电流源电路

电流源的外特性曲线

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换(相当于并联支路电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换断开)时,电流I恒等于电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换,是一定值,而其两端的电压U则是任意的,由负载电阻R及电流电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换本身确定。这样的电源称为理想电流源或恒流源,其符号及电路如图6所示。它的外特性曲线将是与纵轴平行的一条直线,如图5所示。

理想电流源也是理想的电源。如果一个电源的内阻远大于负载电阻,即电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换时,则电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换,基本上恒定,可以认为是理想电流源。

3、电压源与电流源的等效变换

电压源的外特性(图2)和电流源的外特性(图5)是相同的。因此,电源的两种电路模型(图1和图4),即电压源和电流源,相互间是等效的,可以等效变换。

但是,电压源和电流源的等效关系只是对外电路而言的,至于对电源内部,则是不等效的。例如在图1中,当电压源开路时,I=0,电源内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换上不损耗功率;但在图4中,当电流源开路时,电源内部仍有电流,内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换上有功率损耗。当电压源和电流源短路时也是这样,两者对外电路是等效的电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换,但电源内部的功率损耗也不一样,电压源有损耗,而电流源无损耗(电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换被短路,其中不通过电流)。

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

图7 电压源和电流源的等效变换

上面所讲的电源的两种电路模型,实际上,一种是电动势为E的理想电压源和内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换串联的电路(图1);一种是电流为电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换的理想电流源和电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换并联的电路(图4)。

一般不限于内阻电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换,只要一个电动势为E的理想电压源和某个电阻R串联的电路,都可以化为一个电流为电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换的理想电流源和这个电阻R并联的电路(图7),两者是等效的,其中

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换   (3)

在分析与计算电路时,也可以用这种等效变换的方法。

但是,理想电压源和理想电流源本身之间没有等效的关系。因为对理想电压源(电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换=0)讲,其短路电流电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换为无穷大,对理想电流源(电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换)讲,其开路电压电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换为无穷大,都不能得到有限的数值,故两者之间不存在等效变换的条件。

今列出表1将电压源和电流源作一对照。

表1电压源和电流源的对照

电源状态

电压源 电流源 理想电压源 理想电流源

开路

U

E

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

E

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

I

0

0

0

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

短路

U

0

0

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

0

I

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

等效条件

电压源与电流源和电压源与电流源的等效变换

不等效

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