理想和实用的电压源

电压源是一种产生精确输出电压的器件，理论上，无论负载电流如何都不会改变。

我们已经看到了Basic Electronics Tutorials网站在电气或电子电路中有两种类型的元素：无源元件和有源元件。有源元件是能够连续地向电路供电的元件，例如电池，发电机，运算放大器等。另一方面，无源元件是诸如电阻器，电容器，电感器等的物理元件，它本身不能产生电能但只消耗电能。

对我们来说最重要的有源电路元件类型是那些为电路或连接到它们的网络提供电能的元件。这些被称为“电源”，两种类型的电源是电压源和电流源。电路中的电流源通常不如电压源那么常见，但两者都被使用并且可以视为彼此的补充。

电源或简称“源”是一种设备，以电压源或电流源的形式向电路提供电力。两种类型的电源可以被分类为直接（DC）或交流（AC）源，其中恒定电压被称为DC电压，并且随时间正弦变化的电压被称为AC电压。因此，例如，电池是直流电源，家中的230V墙壁插座或电源插座是交流电源。

我们之前说过，电源提供能量，但是电源的一个有趣的特性，他们也能够将非电能转换成电能，反之亦然。例如，电池将化学能转换为电能，而直流发电机或交流发电机等电机将机械能转换为电能。

可再生技术可以转换太阳能，风能，并挥动成电能或热能。但是，除了将能量从一个源转换为另一个源外，电源还可以传递或吸收能量，使其能够在两个方向上流动。

电源的另一个重要特性和定义其操作的特性是它的IV特征。电源的IV特性可以为我们提供非常好的图像描述，如图所示作为电压源和电流源。

电源

电源，无论是电压源还是电流源都可归类为独立（理想）或依赖，（受控制），其值取决于电路中其他地方的电压或电流，其本身可以是恒定的或随时间变化的。

当处理电路定律时在分析中，电源通常被认为是“理想的”，即源是理想的，因为它理论上可以无损失地提供无限量的能量，从而具有由直线表示的特性。但是，在实际或实际的电源中，总是有一个电阻并联连接电流源，或者与电源相关的电压源串联影响其输出。

电压源

电压源，例如电池或发电机，在电路内的两个点之间提供电势差（电压），允许电流在其周围流动。请记住，电压可以无电流存在。电池是电路中最常见的电压源，电源的正极和负极两端出现的电压称为端电压。

理想电压源

理想的电压源定义为两端有源元件，能够提供和维持相同的电压，（v）在其端子上，无论电流如何，（i）流过它。换句话说，理想的电压源将始终提供恒定电压，而不管所提供的电流值是否产生由直线表示的IV特性。

然后理想的电压源被称为独立电压源，因为其电压不依赖于流过源或其方向的电流值，而是仅由源的值单独确定。因此，例如，汽车电池的12V端电压只要通过它的电流不会变高，就会保持恒定，在一个方向上向汽车供电，在充电时向另一个方向吸收功率。

另一方面，相关电压源或受控电压源提供的电压源的大小取决于流经某些其他电路元件的电压或电流。依赖电压源用菱形表示，用作许多电子设备的等效电源，如晶体管和运算放大器。

连接电压源

理想电压源可以与任何电路元件并联或串联连接在一起。串联电压加在一起，而并联电压具有相同的值。请注意，不等的理想电压源不能并联直接连接在一起。

并联电压源

虽然不是最好的在电路分析的实践中，理想的电压源可以并联连接，只要它们具有相同的电压值即可。在这个例子中，两个10伏电压源组合在端子A和B之间产生10伏电压。理想情况下，在端子A和B之间只有一个10伏特的电压源。

是不允许或不是最佳做法，将所有具有不同电压值的理想电压源连接在一起，或者通过外部闭环或支路短路。

连接不良的电压源

然而，在处理电路分析时，可以使用不同值的电压源，前提是其间有其他电路元件它们符合Kirchoff的电压定律KVL。

与并联电压源不同，不同值的理想电压源可以串联在一起形成单个电压源，其输出将是代数加法或减法使用的电压。它们的连接可以是：串联辅助或串联反电压，如图所示。

串联电压源

串联辅助电压源是串联连接的源极，其极性连接在一起，使得一端的正端子连接到下一个的负端子，允许电流以相同的方向流动。在上面的示例中，对于10 + 5 = 15V的V S ，可以添加第一电路的10V和5V的两个电压。因此，端子A和B两端的电压为15伏。

串联反向电压源是串联连接的源极，其极性连接在一起，使正端子或负极端子连接在一起，如第二电路所示以上。最终结果是电压相互减去。然后减去第二电路的10V和5V的两个电压，从较大电压中减去较小的电压。导致V S 10-5 = 5V。

端子A和B两端的极性由电压源的较大极性确定，在该示例中，端子A为正，端子B为负，从而产生+5伏。如果串联相反的电压相等，则A和B两端的净电压将为零，因为一个电压平衡另一个电压。此外，任何电流（I）也将为零，因为没有任何电压源，电流不能流动。

电压源示例No1

两个系列辅助6伏的理想电压源和9伏电压分别连接在一起，提供100欧姆的负载电阻。计算：源电压，V S ，通过电阻的负载电流，I R 和电阻消耗的总功率P.绘制电路。

因此，V S = 15V，I R = 150mA或0.15A，P R = 2.25W。

实际电压源

我们已经看到理想的电压源可以提供一个电压源与流过它的电流无关，也就是说，它始终保持相同的电压值。这个想法可能适用于电路分析技术，但在现实世界中，电压源的表现与实际电压源略有不同，其端电压实际上会随着负载电流的增加而降低。

理想电压源的端电压不随负载电流的增加而变化，这意味着理想的电压源具有零内阻，R S = 0。换句话说，它是无电阻器电压源。实际上，所有电压源都具有非常小的内部电阻，当它们提供更高的负载电流时会降低它们的端电压。

对于非理想或实际的电压源，如电池，它们的内部电阻（R S ）产生与与理想电压源串联的电阻相同的效果，因为这两个串联元件承载的电流与所示相同。

理想和实用的电压源

您可能已经注意到，实际的电压源非常类似于戴维宁的等效电路，因为戴维宁定理指出“任何线性包含电阻和电动势和电流源的网络可以由单个电压源代替，V S 与单个电阻串联，R S “。请注意，如果串联电源电阻较低，则电压源是理想的。当源电阻为无穷大时，电压源开路。

在所有实际或实际电压源的情况下，这个内部电阻R S 无论多小随着负载电流的增加，端子电压下降，对源的IV特性产生影响。这是因为相同的负载电流流过R S 。

欧姆定律告诉我们，当电流（i）流过电阻时，会产生电压降。同样的阻力。该电压降的值以i * R S 给出。然后V OUT 将等于理想电压源V S 减去电阻两端的i * R S 电压降。请记住，在理想的源电压情况下，R S 等于零，因为没有内部电阻，因此端子电压与V S 相同。

然后由Kirchoff电压定律KVL给出的环路周围的电压和为：V OUT = V S -i * R S 。可以绘制该等式以给出实际输出电压的I-V特性。如图所示，当电流i = 0时，它将给出具有斜率-R S 的直线，该斜率与垂直电压轴在与V S 相同的点处相交。

实际电压源特性

因此，所有理想电压源都具有直线IV特性，但非理想或实际的实际电压源不会，而是具有一个IV特性，其略微向下倾斜一个等于i * R S 的量，其中R S 是内部源电阻（或阻抗）。由于源电阻R S 通常非常小，因此实际电池的IV特性提供了非常接近的理想电压源。

斜率角度的减小当电流增加时，IV特性被称为调节。电压调节是衡量实际电压源质量的重要指标，因为它测量空载之间的端电压变化，即当I L = 0时，（开路）和满载，即当 L 处于最大值时（短路）。

电压源示例No2

电池电源由理想电压组成源内部电阻串联。发现在电池的端子处测量的电压和电流在10A处为V OUT1 = 130V，并且在25A处V OUT2 = 100V。计算理想电压源的额定电压及其内阻值。绘制IV特性。

首先让我们用简单的“联立方程式”来定义，电池电压的两个电压和电流输出如下：V OUT1 和V OUT2 。

与电压和电流一样一个联立方程形式，为了找到V S ，我们首先将V OUT1 乘以5，将（5）和V OUT2 乘以2，（2 ）如图所示，使两个电流的值，（i）两个方程相同。

通过乘以先前的常数使得R S 的系数相同，我们现在将第二个等式V OUT2 乘以-1，（-1）到允许减去这两个方程，以便我们可以求解V S ，如图所示。

知道理想电压源，V S 等于150伏，我们可以将此值用于公式V OUT1 （或V OUT2 如果愿意）并解决以找到串联电阻，R S 。

然后，对于我们的简单示例，电池内部电压源计算如下：V S = 150伏，其内部电阻为：R S =2Ω。电池的IV特性如下：

电池IV特性

相关电压源

与在其端子上产生恒定电压的理想电压源不同，无论连接到它的是什么，受控或相关的电压源都会根据连接到其上的电压或电流来改变其端电压。电路，因此有时难以指定相关电压源的值，除非您知道它所依赖的电压或电流的实际值。

相关电压源的行为与电气相似到目前为止我们已经看过的实际和理想（独立）的差异，这次的差异是依赖电压源可以由输入电流或电压控制。取决于电压输入的电压源通常被称为压控电压源或VCVS。依赖于电流输入的电压源也称为电流控制电压源或CCVS。

理想的相关源通常用于分析输入/输出特性或电路元件的增益，例如运算放大器，晶体管和集成电路。通常，理想的电压相关源（电压或电流控制）由菱形符号表示，如图所示。

相关电压源符号

理想的相关电压控制电压源VCVS保持输出电压等于某个乘法常数（基本上是放大系数）乘以电路中其他位置的控制电压。由于乘法常数是常数，控制电压V IN 将决定输出电压的大小V OUT 。换句话说，输出电压“取决于”输入电压的值使其成为相关的电压源，并且在许多方面，理想的变压器可以被认为是VCVS器件，其放大系数是其匝数比。

然后VCVS输出电压由以下公式确定：V OUT =μV IN 。请注意，乘法常数μ是无量纲的，因为它纯粹是一个比例因子，因为μ= V OUT / V IN ，因此它的单位将是理想的相关电流控制电压源CCVS保持输出电压等于连接电路中其他地方产生的控制电流输入的乘法常数（rho）。然后输出电压“取决于”输入电流的值，再次使其成为相关电压源。

作为控制电流，I IN 决定输出的幅度电压，V OUT 乘以放大常数ρ（rho），这使我们可以将电流控制电压源建模为跨阻放大器作为乘法常数，ρ给出了以下等式：V <子> OUT =ρI<子> IN 。这个乘法常数ρ（rho）的单位为欧姆，因为ρ= V OUT / I IN ，因此其单位为伏特/安培。

电压源汇总

我们在这里看到电压源可以是理想的独立电压源，也可以是受控的相关电压源。独立电压源提供的恒定电压不依赖于电路中的任何其他数量。理想的独立电源可以是电池，直流发电机或交流发电机的时变交流电压。

独立电压源可以建模为理想电压源，（R S = 0）其中输出对于所有负载电流是恒定的，或者是非理想的或实际的，例如具有与电路串联连接的电阻的电池，以表示电源的内部电阻。理想的电压源只有在具有相同的电压值时才能并联连接在一起。串联辅助或串联反向连接将影响输出值。

同样，为了解决电路分析和复杂定理，电压源变为短路源，使其电压等于零，以帮助解决网络问题。另请注意，电压源能够提供或吸收功率。

由菱形符号表示的理想相关电压源依赖于外部控制电压或电流，并且与外部控制电压或电流成比例。 VCVS的乘法常数μ没有单位，而CCVS的乘法常数ρ具有欧姆单位。依赖电压源对电子设备或有源器件（如运算放大器和有增益的晶体管）的建模非常重要。

在下一个关于电源的教程中，我们将看一下电压源的补充情况。 ，这是当前的来源，并看到当前的来源也可以被归类为依赖或独立的电源。