电压源与电流源的区别和应用

电源的作用是把其他形式的能量转变成电能，向用电设备提供能量驱动支持的装置。作为电流能够流动的动力源泉，分交流电源和直流电源两种。

在实践中，电源一般有3种形式：它可以是一个电池，一个发电机或一些电子电源的组合。图1－17所示为常见个人计算机中的电源，它可以提供3.3 V（CPU、南北桥芯片、DDR内存、PCI接口），5 V（TTL接口、USB、软驱），12 V（CMOS器件、散热风扇、硬盘、光驱、RS—232接口）等多种电压，为计算机的正常工作提供动力。

在电路分析计算中，常把实际电路元件理想化，把常见的电源分为电压源和电流源两种。

1.电压源

电压源是向负载提供一个确定电压的装置。经常接触到的电源大多是电压源或者是可以转换为电压源模型而进行运算的电源，如图1－18所示。

图1－18中，电压源的端电压U＝E－IR0，开路电压U＝E，短路电流IS＝E/R0。

图1－17　计算机电源

图1－18　电压源及伏安特性

（a）电压源；（b）电压源伏安特性

在电路理论中，为便于分析，常常采用理想电压源模型，即认为电源的内阻R0为0或R0≪RL（负载电阻）。其特点是：输出电压不变，其值等于电动势（E），电压源中电流大小由外电路负载决定。

2.电流源

电流源是向负载提供一个确定电流的装置，可以从电压源变化而来，如图1－19所示，从图中可以看出，电流源输出电流I＝IS－I0。

和电压源一样，在电路理论分析中，常采用理想电流源模型［恒流源，图1－19（b）中虚线所示］，即电流源内阻R0＝或R0≫RL（负载电阻）。理想电流源，其输出电流不变，电流值大小恒等于电流源电流IS，输出电压由外电路决定。

图1－19　电流源及伏安特性

（a）电流源；（b）伏安特性

3.电压源与电流源的等效变换

电压源与电流源都是电路模型，在相同外接负载电阻的情况下，只要保持其对负载的输出电压、电流相等，两种电源可以等效变换，如图1－20所示。

图1－20　电流源与电压源的等效变换

其中，或VS＝IS·R0。

在进行电源变换时应注意极性，IS的流出端要对应VS的“＋”极。一般不限于内阻R0，只要是一个电压为VS的恒压源和一个电阻R串联的电路，都可以化为一个电流为IS的恒流源和这个电阻R并联的电路。

【例1-5】　如图1－21所示电路，已知U1＝1 V，U2＝－6 V，U3＝－4 V，U4＝5 V，U5＝－10 V，I1＝1 A，I2＝－3 A，I3＝4 A，I4＝－1 A，I5＝－3 A，求各元件的功率，并判断实际吸收还是发出功率。

解：

【例1-6】　电路及参数如图1－22所示，试求电阻电路I2和电压源的电流I1，并分析电路中各元件的功率。

图1－21　例1－5电路图

图1－22　例1－6电路图

解：选定电流源的端电压U的参考极性及电流I1、I2的参考方向如图1－22所示。

电阻元件的电压为

UR与I2参考方向一致，由欧姆定律可得：

其功率

所以电阻元件消耗功率8 W。

电流源的端电压为

电流源的端电压U与其电流IS参考方向相反，电流源的功率为

电流源发出4 W功率。

电压源的电流I1取决于外电路，可得出：(www.xing528.com)

对于电压源，US、I1参考方向相反，电压源的功率为

电压源发出4 W功率。

发出功率＝消耗功率，可见电路中功率平衡。

【例1-7】　电路如图1－23（a）所示。（1）若R1改变，则电压源US、电流源IS发出的功率将如何变化？（2）若US＝10 V，IS＝1 A，R2＝R3＝2 Ω，分别求R1＝5 Ω和R1＝10 Ω时，电压源和电流源各自发出的功率。

解：（1）题中R1与理想电流源IS串联在一个支路，从外部看，其输出的电流仍是IS，即对外电路而言，电阻R1无影响。所以，当R1改变时，US输出的功率不变。但R1改变时，IS发出的功率显然会随之改变，且随R1的增大，IS发出的功率将增大（代数值）。

（2）为求US发出的功率，可将图1－23（a）等效为图1－23（b）所示电路。再利用电源等效变换可将图1－23（b）所示电路变换为图1－23（c）所示电路。

图1－23　例1－7电路图

由图1－23（c）所示电路可得

电压源发出的功率与R1无关，因此电压源US发出的功率为

电流源发出的功率与R1有关，图1－23（b）和图1－23（c）中的电压不是原图1－23（a）所示电路中电流源两端的电压U′。图1－23（a）所示电路中电流源两端的电压为

电流源发出的功率为

【例1-8】　图1－24（a）所示为电路的一种习惯画法，试画出该电路的一般画法。

图1－24　例1－8电路图

（a）习惯画法；（b）一般画法

解：在电子电路中，一般都把电源、信号输入和信号输出的公共端接在一起作为参考点。在如图1－24（a）所示电路的习惯画法中，电源不再用符号表示，而改为标出其电位的极性和数值。在图1－24（a）中＋US1表示电压源的负极接参考点o，而正极在a端与电阻R1相连，a点电位比参考点o的电位高US1，同样图1－24（a）中－US2表示电压源的正极接参考点o，而负极在d端与R′2相连，可见d点电位比参考点o的电位低US2。明确了电压源对参考点电位的极性和数值的含义后，就可以将如图1－24（a）所示电路的习惯画法改画成电路的一般画法，如图1－24（b）所示。

【例1-9】　电路如图1－25（a）所示，试求：

（1）RL为何值时获得最大功率？

（2）RL获得的最大功率。

（3）10 V电压源的功率传输效率。

图1－25　例1－9电路图

解：（1）断开负载RL，求得二端网络N1的戴维南等效电路参数为

如图1－25（b）所示，可知当RL＝R0＝1 Ω时获得最大功率。

（2）求得RL的最大功率为

（3）先计算10 V电压源发出的功率。当RL＝1 Ω时：

10 V电压源发出37.5 W功率，电阻RL吸收功率6.25 W，则电压源的功率传输效率为

特别提示：

两种电源的等效关系是仅对外电路而言的，至于电源内部，一般是不等效的（两种电源内阻的电压降及功率损耗一般不相等）。恒压源和恒流源之间没有等效关系，因为二者内阻不相等。

采用两种电源等效变换的方法，可将复杂电路简化为简单电路，给电路分析带来方便。

从以上分析可以看出，电路的形式是多种多样的，但从电路的本质来说，都是由电源、负载（或负荷）、中间环节这3个最基本的部分组成的。

在照明电路中，电源可以用交流电代替——这就是实际生活中的照明电路；如果用充电电池代替——这就是应急灯或安全通道指示器。

负荷可以用发光二极管替换发光（如在大街上或繁华商业区经常可以看见的大屏幕显示屏大多用的就是发光二极管，其特点后文介绍）；用电热器替换发热（各种各样的电炉、电暖气）；用扬声器替换发出声音（日常生活中的收音机、电视伴音、立体声音响、随身听、手机的听筒）；用电动机代替实现转动（洗衣机、电钻、汽车等各种运输工具）。

中间起控制作用的部分可以是普通开关，也可以是光控开关（路灯、各种小夜灯、打印机、传真机的进纸控制等），热敏开关（防盗报警器、自动感应门铃等），还可以是力敏器件（电子秤、握力器等），气敏元件（煤矿瓦斯检测、家庭煤气泄漏报警、驾驶员饮酒测试），热敏元件（温度监测）等。

总之，在生产实践和日常生活中，为满足人们的需求，电路在形式上是多样的，工作时发生的物理现象也是千差万别的，但它们是有普遍规律的。我们的任务就是从发现其普遍规律出发，学会电路的一般分析计算方法，使电能更好地为人们服务。