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电压源.电流源及其电源等效变换--电工基本实验
一.实验目的
1.掌握建立电源模型的方法。
2.掌握电源外特性的测试方法。
3.加深对电压源和电流源特性的理解。
4.研究电源模型等效变换的条件。
二.原理说明
1.电压源和电流源
电压源具有端电压保持恒定不变,而输出电流的大小由负载决定的特性。其外特性,即端电压
U
与输出电流
I
的关系
U
=
f
(
I
) 是一条平行于
I
轴的直线。实验中使用的恒压源在规定的电流范围内,具有很小的内阻,可以将它视为一个电压源。
电流源具有输出电流保持恒定不变,而端电压的大小由负载决定的特性。其外特性,即输出电流
I
与端电压
U
的关系
I
=
f
(
U
) 是一条平行于
U
轴的直线。实验中使用的恒流源在规定的电流范围内,具有极大的内阻,可以将它视为一个电流源。
2.实际电压源和实际电流源
实际上任何电源内部都存在电阻,通常称为内阻。因而,实际电压源可以用一个内阻
R
S
和电压源
U
S
串联表示,其端电压
U
随输出电流
I
增大而降低。在实验中,可以用一个小阻值的电阻与恒压源相串联来模拟一个实际电压源。
实际电流源是用一个内阻
R
S
和电流源
I
S
并联表示,其输出电流
I
随端电压
U
增大而减小。在实验中,可以用一个大阻值的电阻与恒流源相并联来模拟一个实际电流源。
3.实际电压源和实际电流源的等效互换
一个实际的电源,就其外部特性而言,既可以看成是一个电压源,又可以看成是一个电流源。若视为电压源,则可用一个电压源
U
s与一个电阻
R
S
相串联表示;若视为电流源,则可用一个电流源
I
S
与一个电阻
R
S
相并联来表示。若它们向同样大小的负载供出同样大小的电流和端电压,则称这两个电源是等效的,即具有相同的外特性。
实际电压源与实际电流源等效变换的条件为:
(1)取实际电压源与实际电流源的内阻均为
R
S
;
(2)已知实际电压源的参数为
U
s和
R
S
,则实际电流源的参数为
和
R
S
,
若已知实际电流源的参数为
I
s和
R
S
,则实际电压源的参数为
和
R
S
。
三.实验设备
1.直流数字电压表、直流数字电流表;
2.恒压源(双路0~30V可调);
3.恒流源(0~200mA可调);
四.实验内容
1.测定电压源(恒压源)与实际电压源的外特性
实验电路如图5-1所示,图中的电源
U
S
用恒压源0~+30V可调电压输出端,并将输出电压调到+6V,
R
1
取200Ω的固定电阻,
R
2
取470Ω的电位器。调节电位器
R
2
,令其阻值由大至小变化,将电流表、电压表的读数记入表5-1中。
表5-1 电压源(恒压源)外特性数据
I
(mA)
U
(V)
在图5-1 电路中,将电压源改成实际电压源,如图5-2所示,图中内阻
R
S
取51Ω的固定电阻,调节电位器
R
2
,令其阻值由大至小变化,将电流表、电压表的读数记入表5-2中。
表5-2 实际电压源外特性数据
I
(mA)
U
(V)
2.测定电流源(恒流源)与实际电流源的外特性
按图5-3接线,图中
I
S
为恒流源,调节其输出为5mA(用毫安表测量),
R
2
取470Ω的电位器,在
R
S
分别为1kΩ和∞两种情况下,调节电位器
R
2
,令其阻值由大至小变化,将电流表、电压表的读数记入自拟的数据表格中。
3.研究电源等效变换的条件
按图5-4电路接线,其中(a)、(b)图中的内阻
R
S
均为51Ω,负载电阻
R
均为200Ω。
在图5-4 (a)电路中,
U
S
用恒压源0~+30V可调电压输出端,并将输出电压调到+6V,记录电流表、电压表的读数。然后调节图5-4 (b)电路中恒流源
I
S
,令两表的读数与图5-4(a)的数值相等,记录
I
S
之值,验证等效变换条件的正确性。
五.实验注意事项
1.在测电压源外特性时,不要忘记测空载(
I
=0)时的电压值;测电流源外特性时,不要忘记测短路(
U
=0)时的电流值,注意恒流源负载电压不可超过20V,负载更不可开路。
2.换接线路时,必须关闭电源开关。
3.直流仪表的接入应注意极性与量程。
六.预习与思考题
1.电压源的输出端为什么不允许短路?电流源的输出端为什么不允许开路?
2.说明电压源和电流源的特性,其输出是否在任何负载下能保持恒值?
3.实际电压源与实际电流源的外特性为什么呈下降变化趋势,下降的快慢受哪个参数影响?
4.实际电压源与实际电流源等效变换的条件是什么?所谓‘等效’是对谁而言?电压源与电流源能否等效变换?
七.实验报告要求
1.根据实验数据绘出电源的四条外特性,并总结、归纳两类电源的特性。
2.从实验结果,验证电源等效变换的条件。
3.回答思考题。
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