第4章：能量與功率

4.5 穩(wěn)壓電源與電池

電網(wǎng)采用交流電形式將電能從發(fā)電站傳輸給用戶，這是因?yàn)榻涣麟娨子谵D(zhuǎn)換成適宜傳輸?shù)母邏汉徒K端用戶使用的低壓。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，采用高電壓傳輸?shù)男屎托б嬉叩枚?。?duì)于給定的功率，較高的電壓意味著較小的電流，因此，電力線中的電阻損耗會(huì)大大降低。
一些電路是在實(shí)驗(yàn)室里開發(fā)和測(cè)試的。通常，測(cè)試電子電路時(shí)需要實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源，以便將交流電壓轉(zhuǎn)換為被測(cè)電路所需的直流電。在某些情況下，電池可以提供必要的直流電。測(cè)試電路可以是簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以是復(fù)雜的放大器或邏輯電路。為了滿足對(duì)恒定電壓的要求，實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源不僅幾乎沒有噪聲或紋波，還必須是自動(dòng)調(diào)節(jié)的。這意味著如果輸出電壓由于線路電壓或負(fù)載的變化而試圖改變，則穩(wěn)壓電源會(huì)不斷地感知這些變化并自動(dòng)做出調(diào)整以維持幾乎不變的輸出電壓。
許多電路需要多個(gè)電壓源，并且它們能夠設(shè)置個(gè)相互獨(dú)立的輸出通道，它們可以單獨(dú)控制。輸出量顯示通常是實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源的必備部分，用于設(shè)置和監(jiān)測(cè)輸出電壓或電流?？刂品绞桨ň?xì)和粗略的控制或數(shù)字輸入來(lái)設(shè)置精確的電壓。
方式包括精細(xì)和粗略的控制或數(shù)字輸入來(lái)設(shè)置精確的電壓。圖4-12顯示了三輸出工作臺(tái)使用的穩(wěn)壓電源，許多電子實(shí)驗(yàn)室都有類似的電源。圖4-12所示型號(hào)有兩個(gè)0～30V獨(dú)立電源和一個(gè)4～6.5 V輸出電壓，它能 0025 夠輸出較大電流，通常稱為邏輯電源。電壓可以通過(guò)粗細(xì)調(diào)節(jié)來(lái)精確設(shè)置。0～30V電源具有浮動(dòng)輸出，這意味著它們都不
連接參考地。這允許用戶將其設(shè)置為正、負(fù)極性的電源，或?qū)⑵浯?lián)以獲得高達(dá)60 V的輸出電壓，或?qū)⑵洳⒙?lián)以獲得更大的輸出電流，甚至將其連接到另一個(gè)外部電源上。它們還可以設(shè)置為眼蹤其他電源的變化，這對(duì)于需要正電壓和負(fù)電壓的電路是一個(gè)很有用的功能。這種電源的另一個(gè)特點(diǎn)是，它可以被設(shè)置為電流源，具有恒定電流的最大電壓。

與許多穩(wěn)壓電源一樣，0～30 V電源有3個(gè)輸出插孔。輸出在紅色(正極)和黑色端子之間。綠色插孔指的是底盤，是接地的，可以連接到紅色或黑色插孔。此外，電流和電壓可以通過(guò)內(nèi)置的數(shù)字儀表進(jìn)行監(jiān)控。電源輸出的功率是電壓絕對(duì)值和電流絕對(duì)值的乘積。例如，如果電源在3.0 A時(shí)提供-15.0 V的電壓，則提供的功率為45 W。對(duì)于三輸出電源，3路電源提供的總功率是每個(gè)電源單獨(dú)提供的功率之和。
【例4-9】如果輸出電壓和電流如下所示，則三路輸出電源的總功率是多少?
電源1:18 V,2.0 A
電源2:-18 V,1.5 A
電源3:5.0 V,1.0 A
【答】$P_1=V_1{I}_1=18\mathrm{V}\times 2A=36W$
$P_2=V_2{I}_2=18\mathrm{V}\times 1.5A=27W$
$P_3=V_3{I}_3=5\mathrm{V}\times 1A=5W$
$P_{總功率}=P_1+P_2+P_3=68\mathrm{W}$

【同步練習(xí)】如果電源1的輸出電流增加到2.5A，則總輸出功率將如何變化？
【答】$P_1=V_1{I}_1=18\mathrm{V}\times 2.5A=45W$
$P_{總功率}=P_1+P_2+P_3=77\mathrm{W}$

4.5.1 穩(wěn)壓電源的效率

穩(wěn)壓電源的一個(gè)重要指標(biāo)是工作效率。效率是輸出功率與輸入功率之比，即：
$$效率=\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}=\frac{P_{輸出}}{P_{輸入}}$$
效率通常以百分?jǐn)?shù)形式來(lái)表示。
所有的穩(wěn)壓電源都需要輸入電能，因此，它們被認(rèn)為是能量轉(zhuǎn)換器。例如，穩(wěn)壓電源通常使用墻壁插座的交流電源作為輸入，它的輸出通常是一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流電壓。輸出功率總是小于輸入功率，因?yàn)樵谒鼉?nèi)部必須使用部分功率來(lái)操作電源中的電路。這種內(nèi)部功耗通常稱為功率損耗。輸出功率是輸入功率減去功率損耗。
$$P_{OUT}=P_{IN}?P_{LOSS}$$
$$P_{輸出}=P_{輸入}?P_{損耗}$$
高效率意味著在電源中消耗很少的功率，或者說(shuō)對(duì)于給定的輸入功率，輸出功率占比更高。
【例4-10】某個(gè)穩(wěn)壓電源需要25W的輸入功率，它能產(chǎn)生20W的輸出功率，它的效率是多少，功率損耗是多少？
【答】$效率=\frac{20\mathrm{W}}{25\mathrm{W}}\times 100\%=80\%$
$P_{損耗}=25\mathrm{W}?20\mathrm{W}=5\mathrm{W}$

【同步練習(xí)】電源的效率為92%，如果$P_{輸入}$是50W，那么$P_{輸出}$是多少？
【答】$效率=\frac{P_{輸出}}{P_{輸入}}\times 100\%=\frac{P_{輸出}}{50\mathrm{W}}\times 100\%=92\%$，所以$P_{輸出}=46\mathrm{W}$

4.5.2 電池的容量

電池把存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。它們被廣泛用于為小型設(shè)備供電(如筆記本電腦和手機(jī)),以提供所需的穩(wěn)定直流電。這些小型設(shè)備中使用的電池通常是可充電的，這意味著外部能源可以逆轉(zhuǎn)電池的化學(xué)反應(yīng)。電池的容量以安·時(shí)(A·h)數(shù)為單位來(lái)計(jì)量。對(duì)于可充電電池，額定安·時(shí)數(shù)是需要充電前的容量，決定了電池在額定電壓下輸出一定電流能維持的時(shí)間長(zhǎng)度。它是電池的一個(gè)基本指標(biāo)，放電溫度和深度等因素會(huì)影響電池的額定容量。
當(dāng)額定容量為1A·h,意味著電池可以在額定電壓下向負(fù)載平均輸送1A電流，并持續(xù)1h。如果電流超過(guò)某個(gè)極限，安·時(shí)數(shù)就會(huì)降低。隨著電流的增加，安·時(shí)數(shù)的時(shí)間就會(huì)下降。
【例4-11】一個(gè)70 A·h的電池輸出電流為2 A,則該電池可以供電多長(zhǎng)時(shí)間?
【答】$t=\frac{70\mathrm{A}?\mathrm{h}}{2\mathrm{A}}=35\mathrm{h}$

【同步練習(xí)】某電池輸出電流為10 A,可持續(xù)供電6h,該電池的容量為多少?
【答】$容量=10\mathrm{A}\times 6\mathrm{h}=60A?\mathrm{h}$

課后習(xí)題

（1）當(dāng)負(fù)載從電源中汲取的電流增大時(shí)，這種變化是否代表電源所帶的負(fù)載變大或變小?
【答】電流增大意味著負(fù)載增大。

（2）電源的輸出電壓為10V,如果該電源向某負(fù)載提供的電流為0.5 A,那么負(fù)載上的功率是多少?
【答】P=10 V×0.5 A=5W

（3）如果一個(gè)電池的容量是100 A·h,它向負(fù)載提供5A的電流能有多長(zhǎng)時(shí)間?
【答】$t=\frac{100\mathrm{A}?\mathrm{h}}{5\mathrm{A}}=20\mathrm{h}$

【答】P=12 V×5A=60W

（5）實(shí)驗(yàn)室使用的穩(wěn)壓電源的輸入功率為14 W,輸出功率可達(dá)10 W,它的效率是多少?計(jì)算該條件下的功率損耗。
【答】$效率=\frac{10\mathrm{W}}{14\mathrm{W}}\times 100\%=71\%$
$P_{損耗}=P_{輸入}?P_{輸出}=14\mathrm{W}?10\mathrm{W}=4W$

（6）實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源上的綠色插孔有什么用途?
【答】連接到設(shè)備底座，用于接地。

分節(jié)習(xí)題

（31）50Ω負(fù)載上消耗的功率為1W，則電源的輸出電壓是多少？
【答】$P=\frac{V^2}{R}=\frac{V^2}{50}\mathrm{W}=1W$，所以$V=\sqrt{50}\mathrm{V}=7.07V$

（32）假設(shè)一個(gè)堿性D型電池能以1.25V的平均電壓向一個(gè)10Ω的負(fù)載供電90h，直至電量耗盡。在電池的使用壽命中，向負(fù)載供電的平均功率是多少？
【答】$P=\frac{(1.25\mathrm{V}{)}^2}{10\mathrm{\Omega }}=0.156\mathrm{W}$

（33)在問(wèn)題32中電池在90h內(nèi)輸出的總能量是多少焦耳？
【答】$W=Pt=0.156\mathrm{W}\times 90\times 3600s=50544\mathrm{J}=50.544kJ$

（34）一塊電池能在24h內(nèi)提供1.5A的平均電流，它的額定容量是多少？
【答】$容量=24\mathrm{h}\times 1.5A=36A?\mathrm{h}$

（35）一個(gè)80 A·h的電池能以多大的平均電流持續(xù)放電20 h?
【答】$I=\frac{80\mathrm{A}?\mathrm{h}}{20\mathrm{h}}=4\mathrm{A}$

（36）一個(gè)650mA·h的電池能以多大的平均電流持續(xù)放電48h？
【答】$I=\frac{650\mathrm{mA}?\mathrm{h}}{48\mathrm{h}}=13.54\mathrm{mA}$

（37）如果輸入功率為500 mW,輸出功率為400mW,則功率損耗為多大?此電源的效率是多少?
【答】$P_{損耗}=P_{輸入}?P_{輸出}=500\mathrm{mW}?400mW=100mW$
$效率=\frac{400\mathrm{mW}}{500\mathrm{mW}}\times 100\%=80\%$

（38）如果輸入功率為5W，電源必須產(chǎn)生多大的輸出功率才能以85%的效率運(yùn)行？
【答】$效率=\frac{P_{輸出}}{P_{輸入}}=\frac{P_{輸出}}{5\mathrm{W}}\times 100\%=85\%$，所以$P_{輸出}=4.25\mathrm{W}$

（39）某電源以60%效率向負(fù)載持續(xù)提供2W的功率，在24h內(nèi)，該電源消耗的能量是多少千瓦·時(shí)?
【答】$效率=\frac{P_{輸出}}{P_{輸入}}=\frac{2\mathrm{W}}{P_{輸入}}\times 100\%=60\%$，所以$P_{輸入}=3.33\mathrm{W}$，則$W=Pt=3.33\mathrm{W}\times 24h=0.00333\mathrm{kW}\times 24h=0.08kW?\mathrm{h}$

（40）打開文件P04-40,測(cè)量電流、電壓和電阻，并利用測(cè)量值計(jì)算功率。
【答】


$P=VI=24\mathrm{V}\times 0.035\mathrm{A}=0.84\mathrm{W}$

（41）打開文件P04-41,測(cè)量電流、電壓和電阻，并利用測(cè)量值計(jì)算功率。
【答】


$P=VI=5\mathrm{V}\times 0.005\mathrm{A}=25\mathrm{mW}$

（42）打開文件P04-42,測(cè)量燈泡上的電流，測(cè)量值與根據(jù)燈泡的功率和額定電壓算出的電流值是否一致?
【答】

根據(jù)燈泡的功率和額定電壓算出的電流值為$I=\frac{P}{V}=\frac{10\mathrm{W}}{12\mathrm{V}}=0.83\mathrm{A}$

量值與根據(jù)燈泡的功率和額定電壓算出的電流值是一致的文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-594743.html

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