那么我们可以认为Uo是一个2.5V的电压源吗?当然是不行的了,如下图所示,在Uo输出端对地并上2.5k的电阻,Uo的电压就会降低至1.67V(得出结果计算很简单,利用电阻分压关系就可得到,等效为5V电源下挂着2.5K+2.5K//2.5K->5V*1/3=1.67V)。
如果上面的电路不能被称为电压源,那什么样的电路才可以被称为电压源呢?
给出的一个定义就是:无论带什么样的负载,输出电压保持不变的电路才是电压源。
在星球文章:【电源专题】线性稳压器基础(线性稳压器是哪里线性了?)中我们讲解了一下恒压源的原理。因为通过电阻分压的形式无法得到一个恒压源,所以需要将输出电压反馈到输入回路上,形成负反馈来调节输出电压。这样就可以得到一个恒压源。这也是线性稳压器的原理。
那么怎么才能做到不管带什么负载输出电压都保持不变呢?我们需要有一种全新的视角去理解电压和电流的关系:一个电路想要输出电压不变,就必须有强有力的输出电流的能力。
如下图所示的电路中,电源V1带载2.5K,是属于轻负载下,5V电源只需要输出2mA电流就可以说自己是一个直流电压源了。
将负载减小,变为1毫欧。如果还想在负载两端得到5V的电压,则电流达到5kA。也就是说5V电源要输出5kA电流才能说自己是一个直流电压源。
所以,电压源最根本的能力(本质),是要能提供负载所需要的电流,至于输出电压精确稳定,可以依靠别的手段来实现。
在一般的教材中,总是把电压源等效为理想电动势与内阻的串联,因此电压源将拥有极小的内阻。在这种理解下,如果我们想做到电压源,那就要尽量减小电源的内阻。比如用足够粗的铜线去做电源或发电机。但这显然是不科学的。
电压源的内阻,不能想象成真实的导线电阻,而是等效电阻的概念。
如下图所示,将电源看成是一个黑盒子,如果电压源V1的导线内阻是2.5K,那么从常理上来看,已经有这么大的内阻了,它就不是一个电压源了。但是只要R1够轻(比如1M欧)负载两端的压差就接近5V,那么从右边往左边看,左边的黄色框区域就是一个5V的电压源。
如果黄色框图电源保持内阻不变,当外部负载变成2.5K时,我们去偷偷的把V1的电压升高到10V。在负载两端往电源方向看,电源的输出电压还是5V。那么可以说这是一个没有内阻的电源。
这种偷偷改变内部电压的方法可以毫无压力的制造出“0欧内阻”的电源。但是在流过负载的电流是无法骗人的,2.5K欧的负载下,电流为2mA。所以电压源的本质是“电流提供者”。
对于电动势和内阻的可以有如下理解:
回到前面1毫欧重负载情况,如果电源对负载无法提供5kA的电流,只能输出2.5kA电流,那么负载上的电压将变为2.5V。如下图所示:
对此我们可以有多种理解:
1.V1电压保持5V不变,内阻为1毫欧。所以才导致输出电流降至2.5kA。
2.电源没有内阻,但由于负载需求电流过大,电源无法提供,所以V2电压降到2.5V。
3.电源内阻和电源电压都改变。内阻为500u欧,电压V3为3.75V,输出的电流仍然为2.5kA。
或是内阻很大,有1欧,电源电压为2.5KV,也能得到输出电流为2.5kA
以上三种状态,从负载端往电源端看,负载其实并看不出电源端有什么区别。因此对于负载端来说是相同的。
当负载改变时,同样的输出结果,对于电源的电动势和内阻的改变有很多的可能性。如上文所述,可以是电动势变化、内阻变化、电动势和内阻都变化等等。只不过通常的情况下,我们是假定电动势不变,来计算黄色框图中电源的等效电阻的大小。
因此对于等效内阻的定义:当空载输出电压为U1,带载输出电压为U2。U2=U1/2时,所带的负载的阻值就等于电源内部等效电阻的阻值。如下图所示:U4为5V电压,外部负载为1毫欧时,输出的电压为2.5V,我们就认为电源内部的等效内阻是1毫欧。
总结:电压源的等效内阻并不反映真实电源电动势和导线内阻,而是人们约定的一种电路参数描述方式。在实际的应用中,我们往往是通过“偷偷”改变电动势来实现电压稳定的效果,而不是花钱来买更粗的铜线来降低电阻。电压源的本质就是带载后需要提供相应的电流,是“电流提供者”。
李光熠
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