通过实验学电路 (3).pdf

1.1 电源电源 1.电源的定义电源的定义 说起电源，一般人首先想到的是电池。无论是 5 号、7 号电池，还是手机电池，我们在生活中都离不开。由此可见，电源实在是很重要。不过，在电路课程中所说的电源，远不仅限于电池。电源指能够提供电能的源。那么电能是怎么产生的呢？电源通常是将其他的能量转化为电能。例如，电池是将化学能转化为电能；火力发电是通过煤炭燃烧转化为热能，再转化为机械能，最后机械能通过发电机转化为电能；风力发电是将风能通过风机转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。2.电源的电源的类型类型 电源的种类很多。按照输出是电压还是电流分类，电源可以分为电压源和电流源两类。按照输出波形的特点分类，电源主要包含直流电源和交流电源。（1）电压源电压源 电压源就是输出电压的电源。理想电压源的通用电路符号如图 1 所示。图 1 理想电压源电路符号 如果是直流电压源，有时也采用图 2 的电路符号。图 2 直流电压源电路符号 电压源的功能是输出电压，因此其输出电压由自身决定，与外接电路无关。例如一节5V 电池无论接到哪个电路中，电池的输出电压永远都是 5V。电压源的电流由外接电路决定。例如，一节 5V 电池外接 5 欧姆电阻，则电压源电流为1A；如果外接电阻阻值变为 10 欧姆，电压源电流也相应改变，变为 0.5A。电压源在外接电路时必须注意不能直接外接导线（即短路），因为导线的电阻为零，电压源输出电压除以 0 电阻，电流会无穷大，造成电压源的烧毁。（2）电流源电流源 电流源就是输出电流的电源。理想电流源的通用电路符号如图 1 所示。图 3 理想电流源电路符号 电流源的功能是输出电流，因此其输出电流由自身决定，与外接电路无关。例如一个1A 电流源，无论接到哪个电路中，电流源的输出电流永远都是 1A。电流源的输出电压由外接电路决定。例如，一个 1A 电流源外接 5 欧姆电阻，则电流源电压为 5V；如果外接电阻阻值变为 10 欧姆，电流源电压也相应改变，变为 10V。电流源切记不能开路（即断路），因为这会导致电流无路可走，最终造成电流源的烧毁。（3）直流电源直流电源和和交流电源交流电源 直流电源和交流电源没有严格的定义。要想区分直流电源和交流电源，需从狭义和广义两个角度上看。狭义的直流电源指的是电源的输出电压或电流为恒定值，交流电源指的是电源的输出电压或电流为正弦波，直流输出和交流输出波形如图 4（a）和（b）所示。我们通常所说的直流电源和交流电源就一般是从狭义上来定义的。（a）直流电源输出 （b）交流电源输出 图 4 狭义的直流电源和交流电源输出波形 广义的直流电源指的是电源的输出电压或电流不变号，也就是始终为正，或始终为负，可能为恒定值，也可能不是恒定值。图 5 所示的波形为广义直流电源的输出波形，表面上看好像是交流，但由于始终为正，所以实际上是广义的直流电源输出。t00 图 5 广义的直流电源输出波形 广义的交流电源指的是电源的输出电压或电流为周期波形，且有正有负。图 6 所示的方波属于广义的交流电源输出波形。图 6 广义的交流电源输出波形 由以上关于直流电源和交流电源的定义可知，直流电源和交流电源不能涵盖所有电源。不过由于大多数电源都属于直流电源或交流电源，因此本门课程中的电源主要指直流电源和交流电源。3.问与答问与答 问：问：我平时只听说或见过电压源，怎么好像从来没见过电流源？我平时只听说或见过电压源，怎么好像从来没见过电流源？答：你没有见过电流源是很正常的，因为实际中电流源真的很罕见。你可能会接着问：为什 么电流源非常罕见呢？原因与电流源的特性有关。前面提到电流源不能开路，否则电流无路可走。那么，这就会导致很严重的问题，就是如果电流源平时不用，为了给电流提供流通路径，只好短路。考虑到线路上其实不可避免有电阻，这会造成不必要的能量损耗。你可能会问：电压源不存在这种问题吗？答案是确实不存在！因为电压源可以开路，不使用时，直接断开就可以，由于没有电流，自然也不会有损耗。实际中的电流源不是真正意义上的电流源，因为他们通常需要电压源来供电。当电压源断开时，电流源就会失效。问：问：上一个问题上一个问题的回答中提到的回答中提到实际中电流源很罕见，既然罕见，有必要讲解吗？实际中电流源很罕见，既然罕见，有必要讲解吗？答：虽然实际中电流源很罕见，但并不意味电流源不重要。除了极少数情况下需要电流源输出电流外，其实电流源存在的更大意义在于建模和分析。例如，太阳能电池的电路模型如图 7 所示，可见，其中需要用到电流源。图 7 太阳能电池的电路模型 此外电流源与电压源差异很大，分析时有时比电压源简单，因此有些情况下可以将电压源转化为电流源，从而简化分析。这听起来很难理解，要想真正理解这一点，需要继续学习本课程接下来要讲的知识。尽管电流源的确有用，但总的说来较之电压源更罕见，作用也更小，所以本课程所涉及的电源大多数为电压源。问：前面提到了理想电压源，那么什么是理想电压源？什么又是问：前面提到了理想电压源，那么什么是理想电压源？什么又是非非理想电压源呢？理想电压源呢？答：“理想”电压源更确切的说法是“完美”电压源。这个世界，哪有什么绝对“完美”？绝对“完美”只存在我们的想象中，因此“理想”电压源是我们想象出来的“完美”电压源，是一种电路模型，而不是实物。一个电压源要做到完美，那么就需要无论外接什么电路，输出电压都由电压源自身决定。但是实际中电压源都有内阻，当外接电路时，内阻会流过电流，产生压降。外接电路不同，电流不同，内阻压降也不同，从而导致电压源向外电路实际输出的电压产生改变。例如一节5V 电池外接电路，外接电路实际获得的电压可能为 4.95V，也可能为 4.8V。因此，实际的电压源均为非理想电压源。如果要求不高，通常电压源可以近似认为是理想电压源。本课程中所涉及的电压源、电流源、电阻、电感、电容等都是理想（完美）的电路模型，是我们从实际电路中抽象出来的。一个实际电路一般可视为多个理想电路模型组合而成，本课程后续内容都假定已经将实际电路抽象为理想电路模型的组合。