实验2 电源等效电路综合实验

实验二   电源等效电路综合实验

一、实验目的

1、掌握建立电源模型、电源外特性的测试方法。

2、研究电源模型等效变换的条件，加深对电压源和电流源特性的理解。

3、验证戴维南定理、诺顿定理，掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。

4、理解阻抗匹配，掌握最大功率传输的条件。

5、掌握根据电源外特性设计实际电源模型的方法。

二、实验原理

1、实际电压源和实际电流源的等效互换

理想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。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。

理想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。实验中使用的恒流源在规定的电压范围内，具有极大的内阻，可以将它视为一个电流源。

实际电压源可以用一个内阻RS和电压源US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RS和电流源IS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。

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Us与一个电阻RS相串联表示；若视为电流源，则可用一个电流源IS与一个电阻RS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RS；

（2）已知实际电压源的参数为Us和RS，则实际电流源的参数为和RS，

若已知实际电流源的参数为Is和RS，则实际电压源的参数为和RS。

2、戴维南定理和诺顿定理

戴维南定理指出：任何一个有源二端网络，总可以用一个电压源US和一个电阻RS串联组成的实际电压源来代替，其中：电压源US等于这个有源二端网络的开路电压UOC, 内阻RS等于该网络中所有电源均置零(电压源短接，电流源开路)后的等效电阻RO。 

诺顿定理指出：任何一个有源二端网络，总可以用一个电流源IS和一个电阻RS并联组成的实际电流源来代替，其中：电流源IS等于这个有源二端网络的短路电源ISC, 内阻RS等于该网络中所有电源均置零(电压源短接，电流源开路)后的等效电阻RO。

US、RS和IS、RS称为有源二端网络的等效参数。

3、有源二端网络等效参数的测量方法

(1)开路电压、短路电流法

在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压UOC, 然后再将其输出端短路，测其短路电流ISC，且内阻为：



若有源二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。

(2)伏安法

一种方法是用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性曲线，如图2－1所示。开路电压为UOC，根据外特性曲线求出斜率tg，则内阻为：

另一种方法是测量有源二端网络的开路电压UOC，以及额定电流IN和对应的输出端额定电压UN，如图2－1所示，则内阻为：

(3)半电压法

如图2－2所示，当负载电压为被测网络开路电压UOC一半时，负载电阻RL的大小（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻RS数值。

(4)零示法

在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大的误差，为了消除电压表内阻的影响，往往采用零示测量法，如图2－3所示。零示法测量原理是用一低内阻的恒压源与被测有源二端网络进行比较，当恒压源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为“0”，然后将电路断开，测量此时恒压源的输出电压U，即为被测有源二端网络的开路电压。

4、最大输出功率

电源向负载供电的电路如图2－4所示，图中RS为电源内阻，RL为负载电阻。当电路电流为I时，负载RL得到的功率为：

可见，当电源US和RS确定后，负载得到的功率大小只与负载电阻RL有关。

令，解得：RL= RS时，负载得到最大功率：。

RL=RS 称为阻抗匹配，即电源的内阻抗（或内电阻）与负载阻抗（或负载电阻）相等时，负载可以得到最大功率。也就是说，最大功率传输的条件是供电电路必须满足阻抗匹配。

负载得到最大功率时电路的效率：

50% 。

实验中，负载得到的功率用电压表、电流表测量。

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、恒源流（0～200mA可调）

4、NEEL－11B电工原理（一）、MEEL-04电工原理（二）模块板。

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2－5所示，图中的电源US用恒压源10V档可调电压输出端，并将输出电压调到＋6V，R1取51Ω的固定电阻，R2取470Ω的电位器。调节电位器R2，令其阻值由大至小变化，将电流表、电压表的读数记入表2－1中。

表2－1   电压源（恒压源）外特性数据

I (mA)	12	18	22	25	30	40	50
U (V)

在图2－5 电路中，将电压源改成实际电压源，如图2－6所示，图中内阻RS取51Ω的固定电阻，调节电位器R2，令其阻值由大至小变化，将电流表、电压表的读数记入表2－2中。

表2－2   实际电压源外特性数据

I (mA)	12	18	22	25	30	40	50
U (V)

2、测定电流源（恒流源）与实际电流源的外特性

按图2－7接线，图中IS为恒流源，调节其输出为5mA（用毫安表测量），R2取470Ω的电位器，在RS分别为1kΩ和∞两种情况下，调节电位器R2，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2－8电路接线，其中(a)、(b)图中的内阻RS均为51Ω，负载电阻R均为200Ω。

在图2－8 (a)电路中，US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2－8 (b)电路中恒流源IS，令两表的读数与图2－8(a)的数值相等，记录IS之值，验证等效变换条件的正确性。



4、有源二端电阻网络的等效电源定理

被测有源二端网络如图2-9所示.

（1）图2-9线路接入恒压源US＝12V和恒流源IS＝20mA及可变电阻RL。

测开路电压UOC：在图2－4电路中，断开负载RL，用电压表测量开路电压UOC，将数据记入表2－3中。

测短路电流ISc：在图2－9电路中，将负载RL短路，用电流表测量短路电流ISc，将数据记入表2－3中。

表2-3

Uoc(V)	Isc(mA)	Rs=Uoc/Isc

（2）负载实验

测量有源二端网络的外特性：在图2－9电路中，改变负载电阻RL的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表2－4中。并计算有源二端网络的等效参数US和RS

 表2-4

RL()	990	900	800	700	600	500	400	300	200	100
U(V)
I(mA)

（3）验证戴维南定理

测量有源二端网络等效电压源的外特性：图2－10(a)电路是图2－9的等效电压源电路，图中，电压源US用恒压源的可调稳压输出端，调整到表2－3中的UOC数值，内阻RS按表2－3中计算出来的RS（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻RL 的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表2－5中。

表2-5有源二端网络等效电流源的外特性数据

RL()	990	900	800	700	600	500	400	300	200	100
U(V)
I(mA)

测量有源二端网络等效电流源的外特性：图2－10(b)电路是图2—9的等效电流源电路，图中，电流源IS用恒流源，并调整到表2－3中的ISC数值，内阻RS按表2－3中计算出来的RS（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻RL 的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表2－6中。

       

 表2－6有源二端网络等效电流源的外特性数据

RL()	990	900	800	700	600	500	400	300	200	100
UAB(V)
I(mA)

（4）用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻RS及其开路电压Uoc。

5、电路最大输出功率研究

已知电源外特性曲线如图2－11所示，根据图中给出的开路电压和短路电流数值，计算出实际电压源模型中的电压源US和内阻RS。实验中，电压源US选用恒压源的可调稳压输出端，内阻RS选用固定电阻。

用上述设计的实际电压源与负载电阻RL相连，电路如图2－12所示，图中RL选用电阻箱，从0～600Ω改变负载电阻RL的数值，测量对应的电压、电流，将数据记入表2－7中。

表2－7   电路传输功率数据

RL（Ω）	0	100	200	300	400	500	600
U（V）
I（mA）
PL（mW）
η%

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20伏，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？

5、如何测量有源二端网络的开路电压和短路电流，在什么情况下不能直接测量开路电压和短路电流？ 

6、说明测量有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并比较其优缺点。

7、电源用恒压源的可调电压输出端，其输出电压根据计算的电压源US数值进行调整，防止电源短路。

8、什么是阻抗匹配？电路传输最大功率的条件是什么？

9、电路传输的功率和效率如何计算？

10、根据图2－11给出的电源外特性曲线，计算出实际电压源模型中的电压源US和内阻RS，作为实验电路中的电源。

11、电压表、电流表前后位置对换，对电压表、电流表的读数有无影响？为什么？

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、根据表2－3和表2－4的数据，计算有源二端网络的等效参数US和RS。

4、根据半电压法和零示法测量的数据，计算有源二端网络的等效参数US和RS。

5、实验中用各种方法测得的UOC和RS是否相等？试分析其原因。

6、根据表2－4、表2－5和表2－6的数据，绘出有源二端网络和有源二端网络等效电路的外特性曲线, 验证戴维南定理和诺顿定理的正确性。

7、说明戴维南定理和诺顿定理的应用场合。

8、根据表2－7的实验数据，计算出对应的负载功率PL，并画出负载功率PL随负载电阻RL变化的曲线，找出传输最大功率的条件。

9、根据表2－7的实验数据，计算出对应的效率η，指明：(1)传输最大功率时的效率；(2)什么时候出现最大效率？由此说明电路在什么情况下，传输最大功率才比较经济、合理。

10、回答思考题1、2、3、4、8。