1.4 独立电源

物理学指出，正电荷从高电位向低电位运动（负电荷做相反的运动），此时电场力做功，实质是异性电荷的相互吸引，运动的结果将减弱电场力，也就是说，仅由电场力产生的电流持续时间是有限的。因此，为使电路中产生持续的电流，还必须有一种能够将正电荷从低电位搬移到高电位的“电源力”，实际中，具有电源力的装置就是电源。

凡是在电路中能起激励作用的装置都可归纳为电源。电源是电路的基本组成部分，它的基本功能是向外电路提供能量。发电机、干电池、硅光电池等都是电源的实例。另外，像扩音机用的话筒、各类传感器提供的信号源，也可以认为是电源，这些信号源与电源的区别是对电路所起的作用不同，但表达方式相同。一个实际的电源既可以用实际电压源表示，又可以用实际电流源表示。

1.4.1 电压源

任何实际电源都可以用图1-14（a）虚线框内的电路模型表示，即实际电压源（简称电压源）。U_s是电压源的电压，R₀为电源内电阻，R_L为负载电阻。

此端口伏安特性可以用下面的数学模型描述

u=U_s-iR₀　（1-17）

式（1-17）称为电压源的外特性，又称伏安特性。根据式（1-17），画出图1-14（b），由此得出电压源的特点如下：

① 当电压源空载时，输出电流为零，输出电压为开路电压u_oc，在数值上等于U_s；

② 当电压源有载时，输出电压在数值上小于U_s，其差值是内阻上的电压降iR₀。显然当负载[3]增加时（负载增加指的是输出功率增加，即负载电流i增加），输出电压将下降；

③ 当电压源短路时，输出电压为零，这时的电流称为短路电流i_sc，其值为

短路电流通常远远大于电压源正常工作时的额定电流，一般电压源严禁短路。

④ 从电压源的外特性可知，电源内阻R₀越小，电压源输出的电压越稳定，即电源带负载的能力越强，在设计电源（或信号源）时，若要求输出电压稳定，应使内阻尽量小。当然，在电源内阻R₀确定时，为了使电源（或信号源）输出电压较高，应尽量使所带负载电流i小，即所带负载小。

在理想的情况下，内电阻为零时，输出电压u=U_s，电源的外特性将是一条不通过原点且与电流轴平行的直线，如图1-14（c）所示。这种内阻等于零的电压源称为理想电压源，它也是电路的一种基本元件模型。

1.4.2 电流源

任何实际电源都可以用图1-15（a）虚线框内的电路模型表示，即实际电流源（简称电流源）。电流源在额定值的范围内能向外电路提供比较稳定的电流，硅光电池就是一个实际的电流源。

电流源的端口特性可以用下面的数学模型描述

上式也称电流源的外特性方程，其中电导根据式（1-18），画出图1-15（b），由此得出电流源的特点如下。

① 当电流源空载时，输出电流i=0，电激流I_s全部通过内电导旁路，这时其输出电压为开路电压u_oc=I_sR₀。

② 当电流源短路时，输出电压等于零，这时短路电流i_sc=I_s。

③ 当电流源有负载时，电流分成两部分，一部分供给负载，另一部分在其内电阻中旁路。可见内电阻起分流作用，内电阻越大，分流作用越小，输出电流的比例就越大，即输出电流越稳定。

在理想的情况下，内电阻为无穷大时，输出电流i=I_s，电源的外特性将是一条平行于电压轴的垂直线，如图1-15（c）所示。这种内阻等于无穷大的电流源称为理想电流源，它也是电路的一种基本元件模型。

例1-2　已知理想电流源的电流I_s=10A，分别求出图1-16（a）、（b）、（c）三个电路中理想电流源的端电压U和输出电流I。图（a）中R_L分别为0Ω、20Ω。

解：图（a）中，R_L=0Ω时，I=10A，U=R_LI=0V；R_L=20Ω时，I=10A，U=R_LI=200V；

图（b）中，I=10A，U=20V；

图（c）中，I=10A，U=0.5×10V+20V=25V

由上题可见，理想电压源的端电压始终保持不变，其端电流由外电路确定；理想电流源的输出电流始终保持不变，其端电压由外电路确定。