电压调整率和电压源内阻简析

当使用直流电源，如发动机、电池或如图1所示的电源时，对于连接到电源上的恰当电阻负载，最初我认为都能得到所需要的电压。

换句话说，不管所连接的是何种用途的负载，如果电池标为1.5V 或者可调电源被设定为20V，我认为电源都能提供所期望的电压。

但情况并不总是这样，例如，如果我们用实验室直流电源给1kΩ负载供电，在电阻上很容易得到 20V的电压。

但是，如果换成100Ω电阻，并且没有改动电源上的控制部分，可能发现电压降至19.14V，换成68Ω电阻时，降至18.72V。

由此发现，我们所用的负载会影响电源两端的电压。事实上，这个例子指出，在设置电源的输出电压之前，一定要将负载(或电路)连到电源上。

图 1

电压随着负载变化而变化的原因在于，每个现实中的电源都有内阻，它与理想电压源串联，如图1（b）所示。

内阻值大小与电源类型有关，并且总是存在的。现在，新生产的电源对负载的影响虽然越来越不敏感，但这个内阻或负载对电压的影响依然存在。

使用图2有助于解释负载电阻影响电源电压的原因。由于电源有内阻，如果使1kΩ电阻两端的电压为20V，那么内部理想电源的电压需设为 20.1V，如图2(a) 所示内阻将产生0.1V的电压。依据负载和欧姆定律可以确定电路电流，即I L =V L /R L =20V/1kΩ=20mA，电流相对较小。

图2：负载变化对电源两端电压的影响

在图2中，电源的所有设置保持不变，只是用100Ω负载替代1kΩ负载，电流变为IL=E/RT=20.1V/105Ω=191.43mA,输出电压为VL=ILR=19.14V，下降了0.86V。在图2（c）中。负载改为68Ω,电流大幅度增加到275.34mA，而电压仅为18.72V，比期望值少了1.28V。因此说，电源输出电流越大，两端电压下降就越多。

如果电流在0-275.34mA之间变化，我们得到如图3所示的电压与电流的关系图。有趣的是，随着电流需求的增加，电压是一条持续下降的直线。特别注意的是，在空载情况下，电流为0，输出电压等于内部理想电源电压20.1V。

图3：图2中电源输出电压VL和电流IL的关系

这条直线的斜率定义为电源的内阻，即：

（1）

对图3来说，内阻是：

（2）

对于任何类型的电源，它的输出电压与电流的关系都是特别重要的，如图4（a）所示。注意，空载(NL)情况下输出电压最大，如图4（b）所示。满负载(FL，指电源可以持续提供的最大电流)时，输出电压小于空载电压，如图4（c）所示

图4：电压源的空载和满载特性

为了比较，图5画出了理想电压源和它的特性曲线。注意，由于理想电压源不含内阻，曲线是一条水平直线，表明输出电压与负载无关，这当然是不可能的。但是当比较图5和图4（a）的曲线，发现坡度越陡，电源电压对负载的变化越敏感。事实上也可以这样说，电压源内阻越大，随着负载电流的增加，电压下降就越多。

图5：理想电压源和它的外特性

为了帮助我们能够预计电源的输出电压，定义一参数，称为电压调整率(缩写为VR在说明书上经常称为负载调整率)。按图4（a）中的符号，写成公式就是:

（3）

对于上面所提到的电源，空载时电压为20.1V，满载时电压为 18.72V，电流为275.34mA，电压调整率为：

（4）

这个数值较高，说明该电源对负载非常敏感。大多数商用电源的调整率小于1%，而0.01%的电源是很典型的。

例.

a.已知图6所示的特性曲线，确定电源的电压调整率。

b.确定电源的内阻。

c.画出电源等效电路。

图6

解：

a.解答如下

b.解答如下

c.等效电路如图7所示