【电路笔记】-电源电压

电源电压

在本文中，我们详细介绍了称为电源电压的重要电子元件的架构、功能和使用。

我们首先提出理想电压源的基本概念，并介绍交流发电机和电池，因为它们代表了最常见的交流/直流电压源类型。

此外，我们强调这些元件，就像它们的名字一样，是理想的，因此在实际电路中找不到，这就是我们介绍和讨论实际电压源的原因。 此外，我们还建立了一些需要遵循的连接规则，以便在电路中正确实现电压源。

相关源将在第三节中详细介绍，我们将看到一些电压源可以通过电压或电流输入进行控制。

1、概述

1.1 交流发电机

电压源是一台发电机，它从不同形式的能量产生电动势。 最常见的电压源是交流发电机和电池。

交流发电机通过机械旋转转换能量以产生交流信号，由于电磁感应现象，交流发电机的功能在正弦波文章中进行了介绍。

图1:交流发电机的结构和功能

1.2 电池

另一方面，由于氧化还原反应，电池将化学能转化为直流信号。 最常见的类型之一当然是锂离子电池，其功能原理图如下图 2 所示：

图2：锂离子电池的充电/放电功能

1.3 理想电压源

理想电压源是一种无论流经输出负载的电流如何都能提供恒定电压值的元件。 此定义对于直流或交流电压源均有效，在交流情况下，RMS 值保持恒定。下图 3 说明了通常如何在电路图中绘制电压源及其相关的电压/电流特性 。 请注意，直流或交流电源之间没有区别，因此标签 V 和 I 都可以指直流或 RMS 值。

图3：提供阻抗为Z的负载的理想电压源（左）及其相关的电压/电流特性（右）

重要的是要记住，理想电压源的特点是平坦的 $V/I$ 特性。 这种特性的结果是，理想电源理论上可以提供任意量的功率（$V\times I$）而没有任何损耗。

这种断言当然是不正确的，在实际电源中，所提供的功率受到损耗的限制，这些损耗源于电源内部，我们将在下一节中看到。

1.4 实际电压源

如前所述，实际电压源并不呈现平坦的 $V/I$ 特性。 这些影响电源的功率损耗通过内部电阻（或电源电阻）建模，记为 $R_S$，并与电压源串联。

图4:显示了实际电压源的电路图及其电压/电流特性

$R_S$的值是表征电压源的一个重要参数，也称为电压调整率。

1.5 连接规则

在电路中集成电压源时，必须牢记一些连接规则。

第一个也是最重要的一点是不要将电压源短路，我们也可以说不要使电源短路，如图5所示。

图5：电压源短路，禁止连接

缩短电压源实际上相当于在电阻上施加一个为零的电位差V，这会导致有功功率趋于无穷大。 在实践中，电源和连接线的内阻将简单地承受强电流，导致它们熔化或对电源造成不可逆转的损坏。

第二条规则涉及两个或多个电压源之间的并联连接。 永远不建议在没有任何组件的情况下并联电压源，即使它们的值完全相同。

图6：并联配置中的电压源，不推荐连接

图 6 中的电路未实现的第一个原因是源之间可能会产生短路。 在此示例中，连接源的导线之间会产生 5V 的电位差，由于等效电阻为零，因此会导致电流快速增加。

此外，输出负载Z将选择能够更快地提供所需功率的电源。 只有 10 V 电源可以工作，而 5 V 电源则不起作用。

最后，允许并经常遇到串联相同或不同值的电压源以将蓄电池连接在一起（称为电池）以产生更高的电压，如图 7 所示。

图7：串联配置中的电压源，允许连接

电源组端子处产生的输出电压是所使用的不同电源的代数和。 当源提供相同方向的电压时（左电路），绝对值相加，当方向不同时（右电路），绝对值相减。

2、相关源

前面几节中介绍的电压源的值是固定的，不依赖于周围电路的任何参数或元件，因此它们被视为独立源。

我们在最后一节中介绍了一种不同类型的电压源，称为相关源，其值与参数相关。

相关源是四极元件，在电路图中用菱形表示：

图8：VCVS（左）和 CCVS（右）

对于电压源，控制参数可以是输入电压 (VIN) 或电流 (IIN)。 在第一种情况下，我们将其称为压控电压源（VCVS），在第二种情况下，我们将其称为电流控制电压源（CCVS）。

2.1 压控电压源 (VCVS)

对于 VCVS，称为增益的无量纲因子 (k) 将输入电压和源生成的输出联系起来。

VCVS 始终由或多或少复杂的电路控制，该电路提供输入电压，该输入电压将生成输出电压以为输出负载供电。 典型的 VCVS 电路如图 9 所示：

图9：VCVS电路

在这个例子中，我们想要展示如何获得未知的输出参数 $V_S$ 和 $I_S$。

首先，我们可以评论说，控制级由一个理想电压源组成，为分压器电路（$R_1$ 和 $R_2$）提供 10 V 电压。 由于 $R_1=R_2$，分压器的输出电压（或相关电压源的输入）是 $V_1$ 的一半，等于 $V_{IN}=5V$。

由于VCVS的增益设置为20，所以我们可以得出$V_S=20\times V_{IN}=100V$。输出电流可以简单地根据欧姆定律计算：$I_S=V)S/R_3=0.5A$。

2.2 电流控制电压源 (CCVS)

对于 CCVS，将输入电流与输出电压联系起来的因子标记为 $R$，这并非巧合，因为它以欧姆单位 ($\Omega$) 表示。

典型的 CCVS 的设计类似于图9 所示的VCVS 架构：

图10：CCVS电路

相关电压源的输入电流 IN 由欧姆定律简单给出：$I_N=V_1/(R_1+R_2)=5mA$。

CCVS 提供的电压可通过将该输入电流乘以系数 R 得出：$V_S=R\times I_{IN}=0.5V$。我们根据欧姆定律得出输出电流 $I_S=V_S/R_3=2.5mA$。

3、总结

• 符合电压源要求的最常见设备是交流发电机和电池。 由于电磁感应现象，交流发电机将机械能转换为交流输出。 另一方面，电池提供化学能源的直流输出。
• 理想情况下，无论我们处理直流还是交流设备，电压源都应该提供稳定且恒定的输出值，无论输出负载如何，因此必须提供电流。 理想电压源由平坦的电压/电流特性定义，这意味着可以向负载提供无限量的功率。
• 然而，实际电路中的电压源从来都不是理想的，因为它们存在内阻 (RS)，会消耗其产生的一小部分功率。 该内阻是反映一些耗散现象的模型，该组件在电压源的设计中并不实际存在。 实际电压源具有由函数$V=V_{ideal}-R_S\times I$定义的V/I特性，与理想特性相比，它呈现出轻微的斜率值$-R_S$。
• 进一步给出了电压源的一些重要连接规则，不建议缩短和并联电压源，因为它会导致电流快速增加，从而常常导致烧毁电线或组件。 然而，电压源的串联是允许的，并且通常会增加总电压输出。
• 最后，本文的最后一部分介绍了相关电压源。 此类源的输出由具有两种性质的输入控制：
  • 压控电压源 (VCVS) 由电压输入控制
  • 电流控制电压源 (CCVS) 由电流输入控制
• 我们为每个源提供了一个典型电路以及如何继续计算其输出。