电路的基本状态及其优化方法

在电源与负载通过中间环节连接成电路后，电路可能处于通路、开路和短路三种不同的工作状态。下面以简单直流电路为例来分析这三种工作状态。

1.通路工作状态

如图1.19所示，将开关合上，接通电源与负载，电路即处于通路工作状态，又称为有载工作状态。

根据欧姆定律可知，电路中的电流I为

电路的基本状态

电源的输出电压U为负载R两端的电压，由式（1.23）和欧姆定律可得

由式（1.24）可知，电源的输出电压U小于电动势E，两者之差为电流通过电源内阻所产生的电压降IR0，电源的输出电压U与输出电流I之间的变化关系称为电源的外特性。其外特性曲线如图1.20所示。

图1.19　电路的通路状体

图1.20　电源的外部特性曲线

将式（1.24）各项同乘以电流I，可得

EI=UI+I2R0

式中　PE——电源产生的功率，W；

P——电源的输出功率，W；

P0——电源内阻上所损耗的功率，W。

式（1.25）称为功率平衡式，它表明，整个电路的功率是平衡的，即由电源发出的功率等于电路各部分所消耗的功率之和。(www.xing528.com)

为了保证电气设备的安全可靠和经济运行，制造厂规定了其在正常运行条件下的使用限额，称为额定值，如额定电压UN、额定电流IN和额定功率PN等。电气设备的额定值通常标在产品的铭牌或说明书上。

电气设备在额定值情况下的工作状态称为额定工作状态，又称为满载。此时，电气设备的使用是最经济合理和安全可靠的。电气设备超过额定值的工作状态称为过载。由于温度升高需要一定时间，因此，电气设备短时间过载时，不会发生损坏；但若过载时间较长，则会大大缩短电气设备的使用寿命，严重时甚至损坏电气设备。电气设备低于额定值的工作状态称为轻载。严重轻载时，电气设备就不能正常合理地工作，或不能充分发挥其工作能力。因此，过载和严重轻载都是应该避免的。

例1.3　一热水器的额定功率为800 W，额定电压为220 V，求该热水器的额定电流和电阻。若将其接在电压为110 V的电路上，该热水器的输出功率为多少？

解：其额定电流和电阻分别为

若将其接在电压为110 V的电路上，则该热水器的输出功率P为

2.开路工作状态

如图1.21所示，当开关断开时，电源未与负载接通，电路处于开路工作状态，又称为空载工作状态。此时，电路中的电流为零，电源的端电压U0（称为开路电压或空载电压）等于电源电动势，电源不能输出电能，电路的功率为零。如上所述，开路工作状态的特征可用下列公式表示：

3.短路工作状态

如图1.22所示，当电源两边的导线由于某种原因而直接相连时，电路处于短路工作状态。短路时，电源的输出电流IS称为短路电流。由于电源内阻R0一般都很小，故短路电流IS很大。短路时，外电阻可视为零，电源的输出电压也为零，电源所产生的电能全部被电源内阻消耗掉，故电源的输出功率为零。

图1.21　开路工作状态

图1.22　短路工作状态

如上所述，短路工作状态的特征可用下列公式表示：

由于短路电流很大，发生短路时将会烧毁电源、导线及电气设备等。因此，在实际工作中，应经常检查电气设备和线路的绝缘情况，以防止发生电源短路事故。此外，还应在电路中接入熔断器等保护装置，以便在发生短路事故时能迅速切断电路，达到保护电源及电路元器件的目的。