电源元件及其特性分析

把其他形式的能转换成电能的装置称为有源元件，有源元件经常可以采用两种模型表示，即电压源模型和电流源模型。

电源元件

1.电压源

1）理想电压源

输出电压不受外电路影响，只依照自己固有的随时间变化的规律而变化的电源，称为理想电压源。理想电压源简称电压源，如图1-34（a）所示。它是一种理想二端元件，即不管外部电路状态如何，其端电压总保持恒定，而与流过它的电流多少无关。图1-34（b）是理想电压源的一般表示符号，符号“+”“-”是其参考极性。如电压源的电压为常数，就称为直流电压源，其电压一般用US来表示，理想直流电压源伏安特性曲线如图1-34（c）所示，它是一条平行于横轴的直线，表明其端电压与电流的大小及方向无关。

图1-34　理想电压源和伏安特性

（a）理想交流电压源；（b）理想直流电压源；（c）理想直流电压源伏安特性

理想电压源具有以下几个性质。

① 理想电压源的端电压是常数US，或是时间的函数u（t），与输出电流无关。

② 理想电压源的输出电流和输出功率取决于与它连接的外电路。

图1-35所示为同一个电压源接于不同外电路，图1-35（a）表示电压源没有接外电路，电流I=0，这种情况称为“开路”，而图1-35（b）、图1-35（c）的两个外电路1、2是不同的，因此这两种情况下的电流I1和I2也将是不同的。

图1-35　同一个电压源接于不同外电路

根据所连接的外电路，电压源中电流的实际方向既可以从电压的高电位处流向低电位处，也可以从低电位处流至高电位处。如果电压源中的电流从电压源的低电位处流向高电位处，那么电压源释放能量，这是因为正电荷逆着电场方向由低电位处移至高电位处，非静电力必须对正电荷做功，将其他形式能转化成电能的缘故。这时，电压源起电源的作用，发出功率；反之，若电压源中的电流从电压源的高电位处流向低电位处，电压源吸收功率，这时电压源将作为负载出现。

2）实际电压源

理想电压源是从实际电源中抽象出来的理想化元件，在实际中是不存在的。像发电机、干电池等实际电源，由于电源内部存在损耗，其端电压都随着电流变化而变化。例如，当电池接上负载后，其电压就会降低，这是由于电池内部有电阻的缘故。所以，可以采用图1-36所示的方法来表示这种实际的电压源，即可以用一个理想电压源和一个电阻串联来模拟，此模型称为实际电压源模型，如图1-36所示。

电阻rS和RS叫做电压源的内阻，有时又称为输出电阻。实际直流电压源的端电压为（实际交流电压源类似）

图1-37是实际直流电压源伏安特性曲线。

图1-36　实际的电压源模型

（a）实际交流电压源；（b）实际直流电压源

图1-37　实际直流电压源的伏安特性曲线

2.电流源

1）理想电流源

理想电流源也是一个理想二端元件。与电压源相反，通过理想电流源的电流与电压无关，不受外电路影响，只依照自己固有的随时间变化的规律而变化，这样的电源称为理想电流源。图1-38（a）和图1-38（b）是理想电流源的一般表示符号，其中iS表示电流源的电流，箭头表示理想电流源的参考方向。图1-38（b）表示理想直流电流源，其伏安特性曲线如图1-38（c）所示，它是一条平行于纵轴的直线，表明其输出电流与端电压的大小无关。

图1-38　理想电流源的图形符号和伏安特性

（a）理想交流电流源；（b）理想直流电流源；（c）理想直流电流源伏安特性

理想电流源具有以下几个性质。

① 理想电流源的输出电流是常数IS，或是时间的函数i（t），不会因为所连接外电路的不同而改变，与理想电流源的端电压无关。(www.xing528.com)

② 理想电流源的端电压和输出功率取决于它所连接的外电路。

2）实际电流源模型

理想电流源是从实际电源中抽象出来的理想化元件，在实际中也是不存在的。像光电池这类实际电源，由于其内部存在损耗，接通负载后输出电流降低。这样的实际电源，可以用一个理想电流源和一个电阻并联来模拟，此模型称为实际电流源模型，如图1-39（a）和图1-39（b）所示。图1-39（b）是实际直流电流源模型。电阻叫做电源的内阻，有时也称为输出电阻。实际直流电流源输出电流为

图1-39　实际电流源的图形符号和伏安特性

（a）实际交流电流源；（b）实际直流电流源；（c）实际直流电流源伏安特性

例1.7　试求图1-40（a）所示电压源的电流与图1-40（b）中电流源的电压。

解　图1-40（a）中流过电压源的电流也是流过5 Ω电阻的电流，所以流过电压源的电流为

图1-40　例1.7用图

图1-40（b）中电流源两端的电压也是加在5 Ω电阻两端的电压，所以电流源的电压为

电流源中，电流是给定的，但电压的实际极性和大小与外电路有关。如果电压的实际方向与电流实际方向相反，正电荷从电流源的低电位处流至高电位处。这时，电流源发出功率，起到电源的作用。如果电压的实际方向与电流的实际方向一致，电流源吸收功率，这时电流源便将作为负载。

3.电压源、电流源的串联和并联

当n个电压源串联时，可以用一个电压源等效替代。这个等效的电压源的电压为［图1-41（a）］

图1-41　电压源的串联和电流源的并联

当n个电流源并联时，则可以用一个电流源等效替代。这个等效的电流源的电流为（图1-41（b））。

凡是与任何一个元件与理想电压源US并联后，若不进行分析，可视为多余元件，可以去掉，用一个理想电压源US替代来简化电路。同理，任何一个元件与理想电流源IS串联后，若不进行分析，也可视为多余元件，可以去掉，用一个理想电流源IS替代来简化电路。这种替代对外电路是等效的，但对于内电路来说，内部结构发生了改变，是不等效的，如图1-42所示。

图1-42　电源与元件的串联和并联

【特别提示】

一般情况下，不同的理想电压源不并联，不同的理想电流源不串联。

思考题

（1）线性电阻元件功率的计算公式有哪些？并画出其伏安特性曲线。

（2）分别叙述理想电压源和理想电流源的特点。

（3）求图1-43所示电路中UAB。

图1-43　电路

（4）求图1-44所示电路中I。

图1-44　电路