等效电源
巴尔扎特-史记主要内容
2023年2月20日发(作者：报销管理制度)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R
S
和电压源U
S
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R
S
和电流源I
S
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R
S
相串联表示；若视为电流源，
则可用一个电流源I
S
与一个电阻R
S
相并联来表示。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R
S
；
（2）已知实际电压源的参数为Us和R
S
，则实际电流源的参数为
S
S
SR
U
I和R
S
，
若已知实际电流源的参数为Is和R
S
，则实际电压源的参数为
SSS
RIU
和R
S
。
2、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U
S
和一个电阻R
S
串联
组成的实际电压源来代替，其中：电压源U
S
等于这个有源二端网络的开路电压U
OC
,内阻R
S
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R
O
。
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I
S
和一个电阻R
S
并联组
成的实际电流源来代替，其中：电流源I
S
等于这个有源二端网络的短路电源I
SC
,内阻R
S
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R
O
。
2
U
S
、R
S
和I
S
、R
S
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U
OC
,然后再将其输出端短路，
测其短路电流I
SC
，且内阻为：
SC
OC
SI
U
R
若有源二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。
(2)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2－1所示。开路
电压为U
OC
，根据外特性曲线求出斜率tg，则内阻为：
I
U
R
tg
S
另一种方法是测量有源二端网络的开路电压U
OC
，以及额定电流I
N
和对应的输出端额定
电压U
N
，如图2－1所示，则内阻为：
N
NOC
SI
UU
R
(3)半电压法
如图2－2所示，当负载电压为被测网络开路电压U
OC
一半时，负载电阻R
L
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R
S
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2－3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2－4所示，图中R
S
为电源内阻，
R
L
为负载电阻。当电路电流为I时，负载R
L
得到的功率为：
3
L
2
LS
S
L
2
L
R
RR
U
RIP
可见，当电源U
S
和R
S
确定后，负载得到的功率大小只与负载电阻R
L
有关。
令0
L
L
dR
dP
，解得：R
L
=R
S
时，负载得到最大功率：
S
2
S
LmaxL4R
U
PP。
R
L
=R
S
称为阻抗匹配，即电源的内阻抗（或内电阻）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：
IU
P
S
L50%。
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0～30V可调。）
3、恒源流（0～200mA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2－5所示，图中的电源U
S
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51Ω的固定电阻，R
2
取470Ω的电位器。调节电位器R
2
，令其阻值由
大至小变化，将电流表、电压表的读数记入表2－1中。
表2－1电压源（恒压源）外特性数据
I(mA)050
U(V)
在图2－5电路中，将电压源改成实际电压源，如图2－6所示，图中内阻R
S
取51Ω的
固定电阻，调节电位器R
2
，令其阻值由大至小变化，将电流表、电压表的读数记入表2－2
中。
4
表2－2实际电压源外特性数据
I(mA)050
U(V)
2、
按图2－7接线，图中I
S
为恒流源，调节
其输出为5mA（用毫安表测量），R
2
取470Ω
的电位器，在R
S
分别为1kΩ和∞两种情况下，
调节电位器R
2
，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2－8电路接线，其中(a)、(b)图中的内阻R
S
均为51Ω，负载电阻R均为200Ω。
在图2－8(a)电路中，U
S
用恒压源0～＋30V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2－8(b)电路中恒流源I
S
，令两表的读数与图2－
8(a)的数值相等，记录I
S
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线路接入恒压源U
S
＝12V和恒流源I
S
＝20mA及可变电阻R
L
。
5
测开路电压U
OC
：在图2－4电路中，断开负载R
L
，用电压表测量开路电压U
OC
，将数
据记入表2－3中。
测短路电流I
Sc
：在图2－9电路中，将负载R
L
短路，用电流表测量短路电流I
Sc
，将数
据记入表2－3中。
表2-3
Uoc(V)Isc(mA)Rs=Uoc/Isc
（2）
测量有源二端网络的外特性：在图2－9电路中，改变负载电阻R
L
的阻值，逐点测量对
应的电压、电流，将数据记入表2－4中。并计算有源二端网络的等效参数U
S
和R
S
表2-4
R
L
()
990100
U(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2－10(a)电路是图2－9的等效电压源电路，
图中，电压源U
S
用恒压源的可调稳压输出端，调整到表2－3中的U
OC
数值，内阻R
S
按表
2－3中计算出来的R
S
（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻R
L
的阻值，
逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表2－5中。
表2-5
R
L
()990100
U(V)
I(mA)
测量有源二端网络等效电流源的外特性：图2－10(b)电路是图2—9的等效电流源电路，
图中，电流源I
S
用恒流源，并调整到表2－3中的I
SC
数值，内阻R
S
按表2－3中计算出来的
R
S
（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻R
L
的阻值，逐点测量对应的电压、
电流，将数据记入表2－6中。
6
表2－6
R
L
()
990100
U
AB
(V)
I(mA)
（4）用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻R
S
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2－11所示，根据图中给出的开路电压和短路电流数值，计算
出实际电压源模型中的电压源U
S
和内阻R
S
。实验中，电压源U
S
选用恒压源的可调稳压输
出端，内阻R
S
选用固定电阻。
用上述设计的实际电压源与负载电阻R
L
相连，电路如图2－12所示，图中R
L
选用电阻
箱，从0～600Ω改变负载电阻R
L
的数值，测量对应的电压、电流，将数据记入表2－7中。
表2－7电路传输功率数据
R
L
（Ω）0500600
U（V）
I（mA）
P
L
（mW）
η%
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(U＝0)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？
2、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？
7
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，其输出电压根据计算的电压源U
S
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2－11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U
S
和内阻R
S
，
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2－3和表2－4的数据，计算有源二端网络的等效参数U
S
和R
S
。
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U
S
和R
S
。
5、实验中用各种方法测得的U
OC
和R
S
是否相等？试分析其原因。
6、根据表2－4、表2－5和表2－6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2－7的实验数据，计算出对应的负载功率P
L
，并画出负载功率P
L
随负载电阻
R
L
变化的曲线，找出传输最大功率的条件。
9、根据表2－7的实验数据，计算出对应的效率η，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。