電壓調(diào)整率和電壓源內(nèi)阻簡(jiǎn)析

當(dāng)使用直流電源，如發(fā)動(dòng)機(jī)、電池或如圖1所示的電源時(shí)，對(duì)于連接到電源上的恰當(dāng)電阻負(fù)載，最初我認(rèn)為都能得到所需要的電壓。

換句話說，不管所連接的是何種用途的負(fù)載，如果電池標(biāo)為1.5V 或者可調(diào)電源被設(shè)定為20V，我認(rèn)為電源都能提供所期望的電壓。

但情況并不總是這樣，例如，如果我們用實(shí)驗(yàn)室直流電源給1kΩ負(fù)載供電，在電阻上很容易得到 20V的電壓。

但是，如果換成100Ω電阻，并且沒有改動(dòng)電源上的控制部分，可能發(fā)現(xiàn)電壓降至19.14V，換成68Ω電阻時(shí)，降至18.72V。

由此發(fā)現(xiàn)，我們所用的負(fù)載會(huì)影響電源兩端的電壓。事實(shí)上，這個(gè)例子指出，在設(shè)置電源的輸出電壓之前，一定要將負(fù)載(或電路)連到電源上。

圖 1

電壓隨著負(fù)載變化而變化的原因在于，每個(gè)現(xiàn)實(shí)中的電源都有內(nèi)阻，它與理想電壓源串聯(lián)，如圖1（b）所示。

內(nèi)阻值大小與電源類型有關(guān)，并且總是存在的。現(xiàn)在，新生產(chǎn)的電源對(duì)負(fù)載的影響雖然越來越不敏感，但這個(gè)內(nèi)阻或負(fù)載對(duì)電壓的影響依然存在。

使用圖2有助于解釋負(fù)載電阻影響電源電壓的原因。由于電源有內(nèi)阻，如果使1kΩ電阻兩端的電壓為20V，那么內(nèi)部理想電源的電壓需設(shè)為 20.1V，如圖2(a) 所示內(nèi)阻將產(chǎn)生0.1V的電壓。依據(jù)負(fù)載和歐姆定律可以確定電路電流，即I L =V L /R L =20V/1kΩ=20mA，電流相對(duì)較小。

圖2：負(fù)載變化對(duì)電源兩端電壓的影響

在圖2中，電源的所有設(shè)置保持不變，只是用100Ω負(fù)載替代1kΩ負(fù)載，電流變?yōu)镮L=E/RT=20.1V/105Ω=191.43mA,輸出電壓為VL=ILR=19.14V，下降了0.86V。在圖2（c）中。負(fù)載改為68Ω,電流大幅度增加到275.34mA，而電壓僅為18.72V，比期望值少了1.28V。因此說，電源輸出電流越大，兩端電壓下降就越多。

如果電流在0-275.34mA之間變化，我們得到如圖3所示的電壓與電流的關(guān)系圖。有趣的是，隨著電流需求的增加，電壓是一條持續(xù)下降的直線。特別注意的是，在空載情況下，電流為0，輸出電壓等于內(nèi)部理想電源電壓20.1V。

圖3：圖2中電源輸出電壓VL和電流IL的關(guān)系

這條直線的斜率定義為電源的內(nèi)阻，即：

（1）

對(duì)圖3來說，內(nèi)阻是：

（2）

對(duì)于任何類型的電源，它的輸出電壓與電流的關(guān)系都是特別重要的，如圖4（a）所示。注意，空載(NL)情況下輸出電壓最大，如圖4（b）所示。滿負(fù)載(FL，指電源可以持續(xù)提供的最大電流)時(shí)，輸出電壓小于空載電壓，如圖4（c）所示

圖4：電壓源的空載和滿載特性

為了比較，圖5畫出了理想電壓源和它的特性曲線。注意，由于理想電壓源不含內(nèi)阻，曲線是一條水平直線，表明輸出電壓與負(fù)載無關(guān)，這當(dāng)然是不可能的。但是當(dāng)比較圖5和圖4（a）的曲線，發(fā)現(xiàn)坡度越陡，電源電壓對(duì)負(fù)載的變化越敏感。事實(shí)上也可以這樣說，電壓源內(nèi)阻越大，隨著負(fù)載電流的增加，電壓下降就越多。

圖5：理想電壓源和它的外特性

為了幫助我們能夠預(yù)計(jì)電源的輸出電壓，定義一參數(shù)，稱為電壓調(diào)整率(縮寫為VR在說明書上經(jīng)常稱為負(fù)載調(diào)整率)。按圖4（a）中的符號(hào)，寫成公式就是:

（3）

對(duì)于上面所提到的電源，空載時(shí)電壓為20.1V，滿載時(shí)電壓為 18.72V，電流為275.34mA，電壓調(diào)整率為：

（4）

這個(gè)數(shù)值較高，說明該電源對(duì)負(fù)載非常敏感。大多數(shù)商用電源的調(diào)整率小于1%，而0.01%的電源是很典型的。

例.

a.已知圖6所示的特性曲線，確定電源的電壓調(diào)整率。

b.確定電源的內(nèi)阻。

c.畫出電源等效電路。

圖6

解：

a.解答如下

b.解答如下

c.等效電路如圖7所示