實(shí)驗(yàn)三電壓源外特性與戴維寧定理

(一)實(shí)驗(yàn)儀器和器材介紹

本實(shí)驗(yàn)所用儀器和器材與實(shí)驗(yàn)一相同，可參見實(shí)驗(yàn)一的介紹。

(二)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1.課前預(yù)習(xí)

(1)計(jì)算圖Ⅱ.3-5所示網(wǎng)絡(luò)A的戴維寧等效電路參數(shù)U0

和Ri。

(2)畫出圖Ⅱ.3-5所示線路在插接式實(shí)驗(yàn)板上的連接圖。(3)閱讀本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟。了解等效電壓源參數(shù)的測(cè)量方法。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1)掌握電壓源外特性測(cè)試方法，了解電源內(nèi)阻對(duì)電源輸出特性的影響。

(2)驗(yàn)證戴維寧定理，學(xué)習(xí)用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量等效電壓源的參數(shù)。

3實(shí)驗(yàn)原理

1)電壓源外特性

電壓源外特性也稱伏安特性，是對(duì)電源輸出端電壓/伏和電流/安之間關(guān)系的描述。電壓源的等效電路如圖Ⅱ.3-1(a)所示，由恒壓電源E和內(nèi)阻Ri串聯(lián)組成，它的端電壓隨輸出電流的變化而變化，有

U=E－RiI

(3-1)其伏安特性(外特性)如圖Ⅱ.3-1(b)所示。對(duì)于理想電壓源，Ri=0,端電壓U≡E不隨輸出電流I變化，如曲線①所示。實(shí)際的電壓源Ri≠0，輸出電壓隨電流增加而下降，如曲線②所

示。內(nèi)阻不同，曲線下降的速率也不同。內(nèi)阻越小，電壓源外特性越趨理想，故內(nèi)阻大小成為衡量電壓源特性的重要指標(biāo)之一。在工程上，內(nèi)阻的大小是相對(duì)負(fù)載值而言的，若負(fù)載電阻RL>>Ri，則近似認(rèn)為Ri=0，電壓源是理想的，否則認(rèn)為Ri≠0的電壓源不是理想的。目前，電子穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻可達(dá)毫歐數(shù)量級(jí)。外特性曲線斜率的絕對(duì)值就是內(nèi)阻Ri。圖Ⅱ.3-1電壓源及其外特性

2)戴維寧定理

任何一個(gè)包含獨(dú)立電源或非獨(dú)立電源的線性單口網(wǎng)絡(luò)，都可以等效為一個(gè)電壓源，如圖Ⅱ.3-2所示。其理想電壓源U0為網(wǎng)絡(luò)ab端的開路電壓，內(nèi)阻Ri是在使網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立電源為零(把獨(dú)立電壓源E短路、獨(dú)立電流源J斷開)而保留非獨(dú)立電源的情況下，自ab端向網(wǎng)絡(luò)看進(jìn)去的等效電阻。等效電源的Ri和U0可以計(jì)算得出，也可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。圖Ⅱ.3-2線性有源網(wǎng)絡(luò)等效為電壓源

(1)用高內(nèi)阻(相對(duì)于等效電源內(nèi)阻而言)電壓表可直接測(cè)量ab端開路電壓Uab,則U0等于Uab,然后用低內(nèi)阻電流表測(cè)量

ab端短路電流I0，則內(nèi)阻Ri=U0/I0。

(2)如果線性網(wǎng)絡(luò)不允許ab端開路或短路時(shí)，可以測(cè)量外特性曲線(在ab端不開路也不短路的情況下測(cè)量)，則外特性曲線的延伸線在縱坐標(biāo)(電壓坐標(biāo))上的截距就是U0，在橫坐標(biāo)(電流坐標(biāo))上的截距就是I0，而Ri=U0/I0,如圖Ⅱ.3-3所示。圖Ⅱ.3-3線性有源網(wǎng)絡(luò)外特性實(shí)際上只要知道外特性曲線上的任意兩點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)，就可以計(jì)算出U0和Ri,計(jì)算公式如下：

設(shè)圖Ⅱ.3-3中外特性曲線上兩點(diǎn)a、b的坐標(biāo)分別為

(Ua,Ia)和(Ub,Ib)，則(3-3)(3-2)

4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

1)測(cè)量電壓源外特性

測(cè)量方案如圖Ⅱ.3-4所示，E由穩(wěn)壓電源提供。因穩(wěn)壓電源內(nèi)阻很小(毫歐級(jí))，比實(shí)驗(yàn)電路中的RL值小得多，近似為零，故其外特性接近理想，用普通萬用表難以分辨輸出電壓的變化。圖Ⅱ.3-4電壓源外特性的測(cè)量

(1)以萬用表作為指示，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，使其開路電壓E=10V,然后按圖Ⅱ.3-4連接線路。注意圖中的R和RL均為電阻箱，只要用導(dǎo)線將穩(wěn)壓電源和兩個(gè)電阻箱連成閉合回路即可。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)是否正確，關(guān)鍵在于：①穩(wěn)壓電源輸出的10V電壓，一定要用萬用表直流電壓10V擋認(rèn)真測(cè)定正確無誤。

②不要讀錯(cuò)電壓表刻度尺，不要將交流10Ｖ擋的刻度尺當(dāng)作為直流10V擋的刻度尺來讀數(shù)。～

(2)令R=0，按表Ⅱ.3-1所列數(shù)據(jù)從5kΩ開始依次改變

RL值，測(cè)量并記錄RL上的電壓U。表Ⅱ.3-1中電流I值是間接測(cè)量值，I=U/RL。

(3)令R分別等于150Ω和680Ω，測(cè)量U和I值。

2)驗(yàn)證戴維寧定理

（1）測(cè)量只含獨(dú)立電源的線性網(wǎng)絡(luò)外特性。按圖Ⅱ.3-5在插接式實(shí)驗(yàn)板上連接實(shí)驗(yàn)電路，E=10V由直流穩(wěn)壓電源提供。按表Ⅱ.3-2所列數(shù)據(jù)改變RL值，用萬用表直流電壓

10V擋測(cè)量RL兩端電壓，測(cè)量數(shù)據(jù)記入表Ⅱ.3-2中。圖Ⅱ.3-5網(wǎng)絡(luò)A（2）戴維寧等效電路的驗(yàn)證。根據(jù)圖Ⅱ.3-5網(wǎng)絡(luò)A的

戴維寧等效電路參數(shù)U0和Ri理論計(jì)算值(U0和Ri應(yīng)在預(yù)習(xí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算)，組成網(wǎng)絡(luò)A的戴維寧等效電路，如圖Ⅱ.3-6所示。圖中U0用直流穩(wěn)壓電源，注意將穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)至

已計(jì)算好的U0值。圖Ⅱ.3-6網(wǎng)絡(luò)A的等效電路

Ri用電阻箱，調(diào)至已計(jì)算好的Ri值。RL也用電阻箱，按表Ⅱ.3-2給定的值改變RL值，用萬用表測(cè)量RL兩端電壓，記入表Ⅱ.3-2內(nèi)(注意表Ⅱ.3-2已在上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中用過，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)另畫一張表Ⅱ.3-2)。根據(jù)表內(nèi)的數(shù)據(jù)畫曲線，并與上一個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)A的曲線加以比較，并得出結(jié)論。

5.討論題

(1)一電壓源，其U0和Ri均未知。試?yán)秘?fù)載電阻