电压源和电流源的区别与应用

电路的正常工作离不开电源。实际电源可以用两种不同的电路模型来表示：一种是用电压形式来表示的，称为电压源；另一种是用电流形式来表示的，称为电流源。

1.电压源

任何一个电源都含有电动势E和内阻R0，从电路结构上来看，它们是紧密结合在一起的。所谓理想电压源，在直流电路中是指它的两端电压总能保持某一恒定值，而与通过它的电流无关（简称恒压源）。但为了便于对电路进行分析与计算，往往将它们分开，这样由电动势E和内阻R0串联组成的电源电路模型称为电压源，如图1.11所示。

图1.11　电压源

由图1.11所示可以看出，电压源对外提供的电压U与电流I关系为

根据式（1.19）可作出电压源的外特性曲线，如图1.12中a线所示。电压源开路时，I＝0，U=US=E；电压源短路时，U=0，I=IS=E/R0。显然，内阻R0越小，外特性曲线越平坦。

图1.12　电压源的外特性曲线

当R0=0时，输出电压U恒等于电动势E（或US）为一定值，与流过的电流I无关，其电流I由负载电阻R及输出电压U本身确定。这样的电压源称为理想电压源或恒压源，其符号如图1.13所示。其中，图1.13（a）既可表示直流恒压源，也可表示交流恒压源；而图1.13（b）仅表示直流恒压源。理想电压源的外特性曲线是一条与横轴平行的直线，如图1.12 b线所示。

图1.13　理想电压源

理想电压源是一种理想的情况，实际中并不存在。但如果电源的内阻R0远小于负载电阻R，即R0≪R，则内阻电压降R0I≪U，R0I≪U，于是，电压源对外提供的电压U≈E，基本保持恒定，此时可以认为是理想电压源。例如，稳压电源在其工作范围内就可认为是一理想电压源。

2.电流源

如将式（1.19）两端同除以R0，则可得

即

根据式（1.20）可作出如图1.14所示电路图。其中，由电流IS和内阻R0并联组成的电源电路模型称为电流源。电流源的外特性曲线如图1.16 所示a线。电流源开路时，I=0，U=US=ISR0；电流源短路时，U=0，I=IS。显然，内阻R0越大，外特性曲线越陡。

图1.14　电流源

当R=∞时，电I恒等于电流IS，为一定值，与电流源两端的电压U无关，其电压U由负载R及电流I本身确定。这样的电流源称为理想电流源或恒流源，其符号如图1.15所示。理想电流源的外特性曲线是一条与纵轴平行的直线，如图1.16 所示b线。

图1.15　理想电流源

图1.16　电流源的外特性曲线(www.xing528.com)

理想电流源也是一种理想的情况，实际中并不存在。但如果电源的内阻R0远大于负载电阻R，即R0≫R，则I≈IS，基本保持恒定，此时可以认为是理想电流源。

注意：上述分析是以直流电路为例展开的。实际上，理想电压源或理想电流源中，电压或电流应为按一定规律变化的时间函数，其幅值恒定，且与电路中的其他量无关。

3.电压源与电流源的等效变换

一个实际电源可以用电压源表示，也可以用电流源表示，这说明电压源和电流源对同一外电路而言是等效的，可以进行等效变换，如图1.17所示。等效变换的条件为变换后保持输出电压和输出电流不变，即

图1.17　实际电源的两种模型

在对电压源和电流源进行等效变换时，还应注意以下几点：

（1）电压源和电流源的等效变换关系只是相对于外电路而言的，而对电源内部是不等效的。例如，当电源两端处于开路状态时，对电压源，I=0，电源内阻R0不损耗功率；而对电流源，电源内部仍有电流，其内阻R0损耗功率。

（2）等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。

（3）理想电压源与理想电流源之间无等效关系。因为理想电压源的内阻R0=0，若能等效变换，则变换后电流源的短路电流；同样，理想电流源的内阻R0=∞，若能等效变换，则变换后电压源的开路电压US＝ISR0=∞，它们都不能得到有限值，是没有意义的。

（4）任何一个电动势为E的理想电压源和某个电阻R串联的电路，都可化为一个电流为IS的理想电流源和这个电阻并联的电路，两者是等效的。即

例1.2　如图1.18（a）所示，已知US1=24V，R01=4Ω，US2=30V，R02=6Ω，试计算其等效电压源的电压US和内电阻R0。

图1.18　例1.2图

解：

先将两个电压源等效变换为电流源，如1.18（b）所示，其中

然后，再将两个电流源合并为一个等效电流源，如1.18（c）所示，其中

最后，再将这个等效电流源变换为等效电压源，如1.18（d）所示，其中