什么是電壓源 詳解電壓源

介紹這些電能中的每一種：光、壓力、摩擦、化學(xué)物質(zhì)、熱和磁。

電池可以用與電池內(nèi)阻串聯(lián)的理想電壓源來表示。因?yàn)榧僭O(shè)理想電壓源的電壓不變，所以它被稱為恒壓源。

無論負(fù)載電阻如何，理想的電壓源都能保持恒定的輸出電壓。例如，假設(shè)圖 1a 中的電壓源是理想電壓源。如圖所示，源極開路端子兩端的電壓為10V。該“開端”電壓被稱為空載輸出電壓（V NL）。當(dāng)圖 1b 中所示的各種負(fù)載電阻連接到電源時(shí)，它保持相同的 10 V 輸出。因此，對于理想電壓源，無論負(fù)載電阻值如何，我們都有：?

V NL = V RL

其中 V RL表示負(fù)載電阻兩端的電壓。

圖 1. 理想電壓源的輸出電壓在 (a) 空載和 (b) 負(fù)載條件下不會(huì)改變。

對于任何實(shí)際的電壓源，負(fù)載電阻的降低都會(huì)導(dǎo)致源輸出電壓的降低。這是因?yàn)槊總€(gè)電壓源都有一定量的內(nèi)部源電阻，如圖 2a 中的電阻器 (R S ) 所示。當(dāng)負(fù)載連接到電源時(shí)，如圖 2b 所示，它與電源的內(nèi)阻形成一個(gè)分壓器。這會(huì)導(dǎo)致 V RL低于空載輸出電壓 (V NL)，如示例 1 所示。

圖 2. 一個(gè)實(shí)用的電壓源

示例 1：計(jì)算 V RL

圖 3 中源的空載輸出電壓為 12V。計(jì)算R L = 100Ω 和 R L =20Ω的 V RL值

圖 3. 電壓源 (E) 與負(fù)載電阻 (R?

L?

)

?

解決方案

負(fù)載電阻與電源的內(nèi)阻 (R S )形成分壓器。當(dāng) R L =100 Ω 時(shí)，VR L?為：

當(dāng) R L? = 20 Ω 時(shí)，VR L?為：

如您所見，負(fù)載電阻的降低導(dǎo)致 V RL急劇下降。

大多數(shù)直流電壓源的內(nèi)阻為 50Ω 或更小。因此，它不會(huì)對 kΩ 范圍或更高的負(fù)載造成重大問題。但是，當(dāng)存在低電阻負(fù)載時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致輸出電壓顯著下降。這就是為什么認(rèn)為直流電壓源需要低內(nèi)阻的原因。

并聯(lián)和串聯(lián)操作

電壓源可以毫無困難地串聯(lián)操作。圖 4a 顯示了兩個(gè)串聯(lián)連接的電壓源，圖 4b 顯示了等效電路。等效電路的空載電壓是各個(gè)電源的空載電壓之和，等效電路的電阻是各個(gè)電源的電阻之和。

圖 4. (a) 電壓源可以毫無困難地串聯(lián)工作，(b) 等效輸出電壓是各個(gè)電源的空載電壓的空載電壓之和，等效源電阻是單個(gè)源電阻的總和。

只有當(dāng)電源電壓相等時(shí)，電壓源才能并聯(lián)運(yùn)行。如圖 5a 和 5b 所示，等效電路電阻的阻值是各個(gè)源電阻的并聯(lián)組合，等效電路的空載電壓當(dāng)然等于原并聯(lián)的空載電壓——連接的電壓源。圖 5c 顯示，當(dāng)具有不等電壓的電源并聯(lián)時(shí)，電壓較低的電源往往會(huì)使電壓較高的電源放電。

圖 5. (a) 電壓相等的電壓源可以并聯(lián)工作，(b) 電壓源并聯(lián)的等效電路，(c) 電壓不相等的電壓源不能并聯(lián)。

獨(dú)立電壓源

不依賴于電路中任何其他量（如電壓或電流）的源稱為獨(dú)立源。下圖顯示了一些代表獨(dú)立電壓源的常用符號：

圖 6. (a) 直流電壓源；(b) 電池符號；(c) 交流電壓源符號

如果將理想的獨(dú)立電壓源連接到電阻電路或包含電阻器、電感器和電容器的任意組合的電路，則源的輸出電壓不會(huì)改變。即使將這些組件的值加倍，獨(dú)立電壓源的值仍將保持不變。

圖 7. 獨(dú)立的理想電壓源在連接到不同電路元件的任意組合時(shí)表現(xiàn)出恒定的輸出電壓

相關(guān)電壓源

顧名思義，從屬（或受控）電壓源是其輸出電壓取決于電路中其他電壓或電流的電壓源。以下符號用于表示從屬電壓源：

圖 8. 相關(guān)電壓源符號

現(xiàn)在，讓我們通過一個(gè)例子來了解相關(guān)電壓源。

圖 9. 相關(guān)電壓源示例

在上面的電路中，我們有一個(gè)從屬電壓源。該源的值由表達(dá)式 2Ix 給出；其中 Ix 是流經(jīng) 2 歐姆電阻的電流。因此，當(dāng)流過這個(gè) 2 歐姆電阻的電流發(fā)生變化時(shí)，電壓源的值也會(huì)發(fā)生變化。因此，我們可以得出結(jié)論，電流 Ix 正在控制該電壓源的電壓。?

有兩種類型的從屬電壓源。第一個(gè)是電流控制電壓源（CCVS），第二個(gè)是電壓控制電壓源（VCVS）。?

電流控制電壓源 (CCVS)

下圖表示電流控制電壓源：

圖 10. 電流控制電壓源表示

在這里，您可以看到電流 Iin 正在控制相關(guān)電壓源的輸出電壓。輸出電壓可寫為：

其中 Iin 是控制相關(guān)電壓源值的電流，r 是具有電阻單位的系數(shù)。有時(shí)，這個(gè) r 也稱為跨電阻。?

示例 2：CCVS

配置為跨導(dǎo)模式的運(yùn)算放大器（下圖 11）充當(dāng) CCVS。運(yùn)算放大器的輸出電壓取決于輸入電流。隨著輸入電流 Ii 的變化，輸出電壓按以下表達(dá)式變化：?

Vo = Li R L

圖 11. 跨導(dǎo)模式的運(yùn)算放大器；CCVS 的一個(gè)例子。

壓控電壓源 (VCVS)

下圖表示壓控電壓源：

圖 12. 壓控電壓源表示。

此處，電壓量 Vin 控制相關(guān)電壓源的值。輸出電壓 Vout 可寫為：

其中 Vin 是控制該電壓源電壓的輸入電壓，μ 是無單位系數(shù)。系數(shù) μ 也稱為電壓傳輸比。

示例 3：VCVS

當(dāng)我們在反相或非反相配置中配置運(yùn)算放大器時(shí)，它充當(dāng) VCVS。一旦我們調(diào)整了增益，輸出電壓 Vo 取決于輸入電壓 Vi。當(dāng)我們改變 Vi 時(shí)，輸出電壓通過以下表達(dá)式相應(yīng)地改變：

圖 13. 反相配置的運(yùn)算放大器；一個(gè) VCVS 的例子。

底線

理想的電壓源提供恒定的輸出，而不管其負(fù)載電阻 R L的值如何。另一方面，實(shí)用的電壓源具有隨 R L變化的輸出電壓。這意味著負(fù)載電阻的變化會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電壓的變化。圖 14 總結(jié)了理想和實(shí)際電壓源的特性。

圖 14. 理想電壓源與實(shí)際電壓源

fqj