1、1实验二 电源等效电路综合实验一、实验目的1、掌握建立电源模型、电源外特性的测试方法。2、研究电源模型等效变换的条件，加深对电压源和电流源特性的理解。3、验证戴维南定理、诺顿定理，掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。4、理解阻抗匹配，掌握最大功率传输的条件。5、掌握根据电源外特性设计实际电源模型的方法。二、实验原理1、实际电压源和实际电流源的等效互换理想电压源具有端电压保持恒定不变，而输出电流的大小由负载决定的特性。实验中使用的恒压源在规定的电流范围内，具有很小的内阻，可以将它视为一个电压源。理想电流源具有输出电流保持恒定不变，而端电压的大小由负载决定的特性。实验中使用的恒流源在规定的电压
2、范围内，具有极大的内阻，可以将它视为一个电流源。实际电压源可以用一个内阻 RS 和电压源 US 串联表示，其端电压 U 随输出电流 I 增大而降低。在实验中，可以用一个小阻值的电阻与恒压源相串联来模拟一个实际电压源。实际电流源是用一个内阻 RS 和电流源 IS 并联表示，其输出电流 I 随端电压 U 增大而减小。在实验中，可以用一个大阻值的电阻与恒流源相并联来模拟一个实际电流源。一个实际的电源，就其外部特性而言，既可以看成是一个电压源，又可以看成是一个电流源。若视为电压源，则可用一个电压源 Us 与一个电阻 RS 相串联表示；若视为电流源，则可用一个电流源 IS 与一个电阻 RS 相并联来表示
3、。若它们向同样大小的负载供出同样大小的电流和端电压，则称这两个电源是等效的，即具有相同的外特性。实际电压源与实际电流源等效变换的条件为：（1）取实际电压源与实际电流源的内阻均为 RS；（2）已知实际电压源的参数为 Us 和 RS，则实际电流源的参数为 和 RS，SUI若已知实际电流源的参数为 Is 和 RS，则实际电压源的参数为 和 RS。I2、戴维南定理和诺顿定理戴维南定理指出：任何一个有源二端网络，总可以用一个电压源 US 和一个电阻 RS 串联组成的实际电压源来代替，其中：电压源 US 等于这个有源二端网络的开路电压 UOC, 内阻RS 等于该网络中所有独立电源均置零(电压源短接，电流源
4、开路 )后的等效电阻 RO。 诺顿定理指出：任何一个有源二端网络，总可以用一个电流源 IS 和一个电阻 RS 并联组成的实际电流源来代替，其中：电流源 IS 等于这个有源二端网络的短路电源 ISC, 内阻RS 等于该网络中所有独立电源均置零(电压源短接，电流源开路 )后的等效电阻 RO。2US、R S 和 IS、 RS 称为有源二端网络的等效参数。3、有源二端网络等效参数的测量方法(1)开路电压、短路电流法在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压 UOC, 然后再将其输出端短路，测其短路电流 ISC，且内阻为： SCOR若有源二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。(2
5、)伏安法一种方法是用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性曲线，如图 21 所示。开路电压为 UOC，根据外特性曲线求出斜率 tg，则内阻为：IURtgS另一种方法是测量有源二端网络的开路电压 UOC，以及额定电流 IN 和对应的输出端额定电压 UN，如图 21 所示，则内阻为：OCSI(3)半电压法如图 22 所示，当负载电压为被测网络开路电压 UOC一半时，负载电阻 RL 的大小（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻 RS 数值。(4)零示法在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大的误差，为了消除电压表内阻的影响，往往采用零示测量法，如图 23
6、 所示。零示法测量原理是用一低内阻的恒压源与被测有源二端网络进行比较，当恒压源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为“0” ，然后将电路断开，测量此时恒压源的输出电压 U，即为被测有源二端网络的开路电压。4、最大输出功率电源向负载供电的电路如图 24 所示，图中 RS 为电源内阻，RL 为负载电阻。当电路电流为 I 时，负载 RL 得到的功率为：3L2SL2RURIP可见，当电源 US 和 RS 确定后，负载得到的功率大小只与负载电阻 RL 有关。令 ，解得：R L= RS 时，负载得到最大功率： 。0Ld S2maxL4UPRL=RS 称为阻抗匹配，即电源的内阻抗（或内电
7、阻）与负载阻抗（或负载电阻）相等时，负载可以得到最大功率。也就是说，最大功率传输的条件是供电电路必须满足阻抗匹配。负载得到最大功率时电路的效率：50% 。IUPSL实验中，负载得到的功率用电压表、电流表测量。三、实验设备1、直流数字电压表、直流数字电流表2、恒压源（双路 030V 可调。 ）3、恒源流（0200mA 可调）4、NEEL 11B 电工原理（一） 、MEEL-04 电工原理（二）模块板。四、实验内容1、测定电压源（恒压源）与实际电压源的外特性实验电路如图 25 所示，图中的电源 US 用恒压源 10V 档可调电压输出端，并将输出电压调到6V，R 1 取 51的固定电阻，R 2 取
8、470的电位器。调节电位器 R2，令其阻值由大至小变化，将电流表、电压表的读数记入表 21 中。表 21 电压源（恒压源）外特性数据I (mA) 12 18 22 25 30 40 50U (V)在图 25 电路中，将电压源改成实际电压源，如图 26 所示，图中内阻 RS 取 51的固定电阻，调节电位器 R2，令其阻值由大至小变化，将电流表、电压表的读数记入表422 中。表 22 实际电压源外特性数据I (mA) 12 18 22 25 30 40 50U (V)2、测定电流源（恒流源）与实际电流源的外特性按图 27 接线，图中 IS 为恒流源，调节其输出为 5mA（用毫安表测量） ，R 2
9、取 470的电位器，在 RS 分别为 1k和两种情况下，调节电位器 R2，令其阻值由大至小变化，将电流表、电压表的读数记入自拟的数据表格中。3、研究电源等效变换的条件按图 28 电路接线，其中(a)、(b)图中的内阻 RS 均为 51，负载电阻 R 均为 200。在图 28 (a)电路中，U S 用恒压源 030V 可调电压输出端，并将输出电压调到6V，记录电流表、电压表的读数。然后调节图 28 (b)电路中恒流源 IS，令两表的读数与图 28(a)的数值相等，记录 IS 之值，验证等效变换条件的正确性。4、有源二端电阻网络的等效电源定理被测有源二端网络如图 2-9 所示 .（1）图 2-9
10、线路接入恒压源 US12V 和恒流源 IS20mA 及可变电阻 RL。5测开路电压 UOC：在图 24 电路中，断开负载 RL，用电压表测量开路电压 UOC，将数据记入表 23 中。测短路电流 ISc：在图 29 电路中，将负载 RL 短路，用电流表测量短路电流 ISc，将数据记入表 23 中。表 2-3Uoc(V) Isc(mA) Rs=Uoc/Isc（2）负载实验测量有源二端网络的外特性：在图 29 电路中，改变负载电阻 RL 的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表 24 中。并计算有源二端网络的等效参数 US 和 RS 表 2-4RL() 990 900 800 700 600
11、500 400 300 200 100U(V)I(mA)（3）验证戴维南定理测量有源二端网络等效电压源的外特性：图 210(a) 电路是图 29 的等效电压源电路，图中，电压源 US 用恒压源的可调稳压输出端，调整到表 23 中的 UOC 数值，内阻 RS 按表23 中计算出来的 RS（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻 RL 的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表 25 中。表 2-5 有源二端网络等效电流源的外特性数据 RL() 990 900 800 700 600 500 400 300 200 100U(V)I(mA)测量有源二端网络等效电流源的外特性：图 210
12、(b)电路是图 29 的等效电流源电路，图中，电流源 IS 用恒流源，并调整到表 23 中的 ISC 数值，内阻 RS 按表 23 中计算出来的 RS（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻 RL 的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表 26 中。6表 26 有源二端网络等效电流源的外特性数据RL() 990 900 800 700 600 500 400 300 200 100UAB(V)I(mA)（4）用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻 RS 及其开路电压 Uoc。5、电路最大输出功率研究已知电源外特性曲线如图 211 所示，根据图中给出的开路电压和短路电流数值，计算
13、出实际电压源模型中的电压源 US 和内阻 RS。实验中，电压源 US 选用恒压源的可调稳压输出端，内阻 RS 选用固定电阻。用上述设计的实际电压源与负载电阻 RL 相连，电路如图 212 所示，图中 RL 选用电阻箱，从 0600 改变负载电阻 RL 的数值，测量对应的电压、电流，将数据记入表 27中。表 27 电路传输功率数据RL（） 0 100 200 300 400 500 600U（V）I（mA）PL（mW）%五、实验注意事项1、在测电压源外特性时，不要忘记测空载(I 0)时的电压值；测电流源外特性时，不要忘记测短路(U0)时的电流值，注意恒流源负载电压不可超过 20 伏，负载更不可开
14、路。2、换接线路时，必须关闭电源开关。3、直流仪表的接入应注意极性与量程。六、预习与思考题1、电压源的输出端为什么不允许短路？电流源的输出端为什么不允许开路？72、说明电压源和电流源的特性，其输出是否在任何负载下能保持恒值？3、实际电压源与实际电流源的外特性为什么呈下降变化趋势，下降的快慢受哪个参数影响？4、实际电压源与实际电流源等效变换的条件是什么？所谓等效是对谁而言？电压源与电流源能否等效变换？5、如何测量有源二端网络的开路电压和短路电流，在什么情况下不能直接测量开路电压和短路电流？ 6、说明测量有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并比较其优缺点。7、电源用恒压源的可调电压输出端，其
15、输出电压根据计算的电压源 US 数值进行调整，防止电源短路。8、什么是阻抗匹配？电路传输最大功率的条件是什么？9、电路传输的功率和效率如何计算？10、根据图 211 给出的电源外特性曲线，计算出实际电压源模型中的电压源 US 和内阻RS，作为实验电路中的电源。11、电压表、电流表前后位置对换，对电压表、电流表的读数有无影响？为什么？七、实验报告要求1、根据实验数据绘出电源的四条外特性，并总结、归纳两类电源的特性。2、从实验结果，验证电源等效变换的条件。3、根据表 23 和表 24 的数据，计算有源二端网络的等效参数 US 和 RS。4、根据半电压法和零示法测量的数据，计算有源二端网络的等效参数
16、 US 和 RS。5、实验中用各种方法测得的 UOC 和 RS 是否相等？试分析其原因。6、根据表 24、表 25 和表 26 的数据，绘出有源二端网络和有源二端网络等效电路的外特性曲线, 验证戴维南定理和诺顿定理的正确性。7、说明戴维南定理和诺顿定理的应用场合。8、根据表 27 的实验数据，计算出对应的负载功率 PL，并画出负载功率 PL 随负载电阻RL 变化的曲线，找出传输最大功率的条件。9、根据表 27 的实验数据，计算出对应的效率 ，指明： (1)传输最大功率时的效率；(2)什么时候出现最大效率？由此说明电路在什么情况下，传输最大功率才比较经济、合理。10、回答思考题 1、2、3、4、8。
