电压源和电流源的区别

在讲电流源和电压源之前,我们先来了解一下近似、二阶近似、三阶近似

        一、近似:在我们日常生活中,每天都在运用着近似,如果有人问你到家需要多久。你可能会回答2小时(理想化近似),也可能回答2小时多,快3小时了(二阶近似),或者还可以回答2小时零56分(三阶近似),或者会回答的精确些2小时56分23秒(精确值)。

        上述的例子阐述了不同程度的近似:理想化近似、二阶近似、三阶近似、精确值。采用哪种近似取决于当时的情况。在电子学中也一样,进行电路分析时,需要根据情况选择合适的近似值。

        二、理想化近似:有一段长5厘米的导线,与基板距离5厘米时,导线里面会有电阻,电容,电感。如果每次计算导线内的电流时都计入电阻、电容、电感效应,那么会耗费太多时间,所以人们在大多数的情况下都会忽略导线的电阻,电容,电感。

        理想化近似:也称一介近似,是一个器件最简单的电路,例如,一段导线的理想化近似就是一段阻抗为零的导体,这种理想化适用于日常的电路分析。

        例外的情况是发生在高频电路中,这时必须把导线中的电感和电容产生的影响考虑进去,假设5厘米的导线有0.45uH电感,10pF电容,那么在10MHZ的情况下,感抗是28.26Ω,容抗是15.92KΩ,可见此时的设计已经不能再将导线理想化近似了,导线的感抗和容抗造成的影响不容忽略。

        工作频率在1MHZ以下时可以将导线理想化,这是一个常用的经验法则。但不能掉以轻心,通常情况下导线应越短越好,因为在一定条件下长导线会使电路的性能下降。

        三、二阶近似:一个手电筒可以理想化近似为一个1.5V的电压源,而二阶近似,将在理想化近似加一个元件或多个元件,手电筒电池也可以表述为1.5V的电压源串联上了一个1Ω电阻,这个串联的电阻称为电池的源电阻或内阻。如果负载电阻小于10Ω,则负载电压肯定小于1.5V,因为一部分电压被分配在了内阻上,因此精确计算就必须考虑电源内阻。

        四、三阶近似:器件的等效电路会包含另一个元件。

                更高阶的近似在等效电路包含更多的元件,手工算会变得很难,所以用multisim以及PSpice等软件。

        五、准理想电压源:理想直流电压源可提供恒定的负载电压,内阻为零的电池就是一个最简单的理想电压源。一个理想电压源与一个从1R到10R的可变电阻项链,AB点接入电压表。电压表的读数为10V与电源电压完全不变

 

 

 看下图,图里画出来负载电压随负载电阻变化的曲线。在负载电阻从1R变化到10MR过程中,负载电压保持10V不变,换句话说,无论负载电阻变大变小,理想的直流电压源总能输出恒定的负载电压,对于理想电压源,只有负载电流是随负载电阻变化而变化的

         5.1电压源二阶近似:理想电压源只是理论上存在,实际上不存在的,原因是当负载电阻趋近与0时,负载电流会变得无穷大,没有任何实际的电压源可以产生无穷大的电流,实际电压源总会存在一定的内阻。电源内阻的二阶近似就包括这个内阻

               下图说明了这个情况。一个1R的电源内阻Rs。和理想电池串联在一起,当负载电压是1R时,电压表的读数是5V。因为负载电流等于10V除以2R,即5A,当5A的电源流过电源内阻时,产生了5V的压降。因为内阻分掉了一般的电压,所以负载电压只有电压理想值得一半。

        

                 下图给出了负载电压随负载电阻变化而变化的图,这种情况下,只有当负载电阻远远大于电源内阻时,负载电才会接近电源电压的理想值。但什么时候才可以忽略掉电源内阻呢?

 

        5.2准理想电压源:当电源内阻是负载电阻的1/100或更小时,则电源内阻可以忽略。满足这个条件的电压源可以称为理想电压源。定义如下

                                                                       

 准理想电压源RS<0.01RL

把<换成=

RS=0.01RL

由此可以推导出满足准理想电压源条件的最小负载电阻为:

RL = 100RS

则最小的负载电阻值等于电源内阻的100倍

        总结:只要负载电阻大于100倍的的电源电阻,电压源就是准理想,当负载电阻恰好等于这个最小负载时,忽略电源内阻带来的计算误差为百分之一,这个误差足够小,可以在二阶近似计算中忽略。

        比如:电压源的内阻是600R,准理想电压源 = 600R*100R = 60KR。只要负载电压大于60KR,就可以认为电压源是准理想电压源,此时可以忽略电源内阻的影响。

        最后需要说明的是,对于交流电源使用二阶近似在低频区有效,在高频区,导线会产生寄生电感和寄生电容等附加因素会产生不可忽视的影响

        六:电流源:内阻很大的电池就是一个直流电流源。下图电路中,电池内阻为1MR,当下图RL为1R时负载电流为10微安,在计算中,小的负载电阻对负载电流几乎不产生影响。

        下图给出了负载电阻从1R到1MR过程中负载电流的变化曲线。负载电流在很大的范围内保持10微安,只要当负载电阻大于10KR时,负载电流才出现明显的下降。 

 

                 6.1准理想电流源:当电流源内阻比负载电阻大至少100倍时,可以忽略电流源内阻。满足这个条件的电流源称为准理想电流源

准理想电流源RS>100RL

RS = 100RL

满足准理想电流源条件的最大负载电阻为

RL = 0.01R

即最大负载电阻时电流源内阻的百分之一。

        当负载电阻等于最大值时,计算误差为百分之一。这个误差足够小,可以在二阶近似中忽略。

        下图给出了准理想区。只要负载电阻小于电流源内阻的百分之一,电流源就是准理想的。

 

        

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