第 2 课 电源
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1. 电源
2. 电压源
3. 电流源
1.电源
⑴ 电源 : 通过将实际电源近似为理想电源来解释电路
2.电压源
⑴ 概述
①定义：在特定条件下提供恒定电压的电源
② 电压源的内阻越低越好
⑵ 分类
① 独立电压源 ： 始终提供恒定电压的电压源
② DependentVoltageSource： 根据外部电路条件提供电压的电压源
○ 示例 : 一些晶体管
○ VCVS（压控电压源）： 左
○ CCVS（电流控制电压源）： 右
⑶ 实用电压源、非理想电压源
图 1. 实际电压源的电流-电压特性
⑷ 电池
①定义：利用化学反应电位提供恒定电压的电源
② 成分、容量、【电化学原理】(https://jb243.github.io/pages/1348)
③ 水银电池
○ 反应
(-) 锌汞合金 氧化汞 + 氢氧化钾 氧化汞，E0=1.3V
(+) : HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH-
(-) : Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2e-
○ 特点： 纽扣形状，超小尺寸，恒压，原电池
○ 缺点： 由于汞的形成而造成汞污染
④ 伏打电池
○ 反应
(-) 锌 H2SO4(水溶液) 铜(+)，E0 = 1.10V
(+) : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)↓, E0 = 0.34 V
(+) : 2H+(aq) + 2e- → H2(g)↑
(-) : Zn(s) → Zn2+ + 2e-, E0 = -0.76V
○ 极化现象： 铜板上产生的氢气包围铜板，干扰还原反应，导致电动势迅速下降
○ 去极化剂 : 用于消除极化现象的氧化剂，将氢气氧化成水
○ 示例 : H2O2, MnO2, KMnO4, K2Cr2O7
⑤ 丹尼尔细胞
○ 反应
(-) 锌 硫酸锌(aq) CuSO4(aq) 铜(+)，E0 = 1.10V
(+) : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)↓, E0 = 0.34 V
(-) : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-, E0 = -0.76 V
○ 不产生气体，因此不会发生极化现象
○ 盐桥
○ 盐桥对于丹尼尔电池至关重要
○ 将 KCl 或 KNO3 溶解在水中，煮沸溶液，冷却制成 U 形管而制得
○ 作为离子运动的通道，平衡整个电路中的电荷
⑥ 锰锌电池
○ 反应
(-) 锌 饱和NH4Cl溶液 二氧化锰，E0=1.5V
(+) 碳棒 : 2MnO2 + 2NH4+ + 2e- → Mn2O3 + 2NH3 + H2O
(-) 锌板 : Zn → Zn2+ + 2e-
○ 特点 ： 无需盐桥，弱酸性电解质导致寿命短，产生约 1.5 V
⑦ 碱性二氧化锰电池 ： 原电池，最常见
○ 反应
(-) 锌 氢氧化钾 二氧化锰，C(+)，E0 = 1.43V
(+) 锌板 : 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- → Mn2O3(s)↓ + 2OH-(aq), E0 = 0.15 V
(-) 碳棒 : Zn(s) + 2OH-(aq) → ZnO(s)↓ + H2O(l) + 2e-, E0 = -1.28 V
○ 由于所有产品都是固体，因此最初产生恒定电压
○ 比锰锌干电池寿命更长
○ 电压 : 取决于 MnO2 的纯度，对于新型碱性电池通常为 1.50 ~ 1.65 V 左右
○ 标称电压 : 1.2 V/cell
○ 标称容量 : 5 Ah
○ 电池完全放电时电压降至约0.90 ~ 1.0 V» ○ 激励器的结构、类型、适用范围
图2. 增能器的结构、类型和可用范围
⑧ 铅酸电池 ： 二次电池，用于汽车、潜艇
○ 反应
(-) 铅 硫酸 PbO2(+)，E0 = 2.05V
(+) 二氧化铅板 : PbO2(s) + HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e- → PbSO4(s)↓ + 2H2O(l), E0 = 1.685 V
(-) 铅板 : Pb(s) + HSO4-(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e-, E0 = -0.365 V
○ 电压： 各种电芯由于酸性，一般在2.10V左右，放电在1.95V左右
○ 标称电压 : 2.0 V/cell
○ 标称容量 : 10 Ah
○ 多个电池串联以创建 12 V、24 V 系统
○ SG为1.30表示正常，1.1左右表示需要充电
○ 将铅酸电池充电至完全耗尽可能会导致其无法充电
○ 需要直流电源充电，电压源和电流源均可
○ 放电时，两电极质量逐渐增大，硫酸溶液浓度下降
○ 充电 : 从外部直流电源施加电流会引发逆反应，稀释硫酸并恢复电动势
○ 应在电池电压低于 1.8 V 之前充电
○ 正极的PbO2起消偏剂的作用
○ 铅酸电池结构
图 3. 铅酸电池的结构
⑨ 通用电池
○ 电池 : 储存整流器转换后的直流电
○ 电池系统组成：电池、充电装置、安全装置、控制装置
○ 电池容量公式： C = K × I / L
○ C ：电池容量（Ah），L ：容量维持系数（容量损失率），K ：容量转换时间系数，I ：放电电流（A）
○ 收费方式
○ 初次充电 : 通过向未充电的电池中注入电解液进行首次充电
○ 标准充电 : 需要时按固定费率定期充电
○ 快速充电 : 以标准电流的 2 至 3 倍进行相对较短的充电
○ 浮充 : 电池平衡放电-施加恒定负载、负载供电-临时大电流负载等。
○ 浮充改进方式有涓流充电和均充
○ 充电电流（A）=电池容量（Ah）/额定放电时间（h）+恒负载容量（VA）/标准电压（V）
图4. 浮充
○ 恢复充电
○ 硫酸化现象 : 适用于铅酸电池
○ 原因： 放电状态下长时间存放、放电电流大、重复充电不足
○ 现象：极板发白弯曲，充电时电解液温度升高，比重下降，气体产生增多
○ 碱性电池的特点
○ 优点： 寿命更长，耐振动冲击，充放电特性好，放电电压稳定，工作温度范围更宽
○ 缺点 : 与铅酸电池相比标称电压较低，成本较高
⑩ 镍镉电池（镍镉电池）： 二次电池，由于重金属毒性，目前不常用
○ 反应方程式
(-) 镉 氢氧化钾 NiO(OH) (+)，E0 = 1.40 V
(+) : NiO(OH)( s ) + H2O( l ) + e- → Ni(OH)2( s ) + OH-( aq ), E0 = 0.52V
(-) : Cd( s ) + 2OH-( aq ) → Cd(OH)2( s )↓ + 2e-, E0 = -0.88 V
○ 电压 ： 保持 1.2 V 的恒定电压，低于碱性电池的 1.5 V
○ 充放电4000次后无法使用» ○ 记忆效应 ： 由于镍的存在，充电前未完全放电时容量会下降
○ 镍镉电池应采用恒流源充电
○ 镍镉电池的种类
图。 5. 镍镉电池的类型
⑪ 燃料电池
○ 总体反应 : H2( g ) + 1/2 O2( g ) → H2O( l ), E0 = 1.23 V
(+) : 1/2 O2( g ) + H2O( l ) + 2e- → 2OH-( aq )
(-) : H2( g ) + 2OH-( aq ) → 2H2O( l ) + 2e-
○ 电化学反应过程中产生电能和热量，使整体效率提高到80%以上
○ 热效率一般在25-30%左右
○ 低噪音、环保
⑫ 锂离子电池
○ 总反应 : LiCoO2( s ) + 6C( s ) → CoO2( s ) + LiC6( s )
(+) : Li+( aq ) + 6C( s ) + e- → LiC6( s )
(-) : LiCoO2( s ) → CoO2( s ) + Li+( aq ) + e-
○ 需要电解质和隔膜以实现锂离子移动
图。 6. 锂离子电池的组成
○ 与传统化学电池不同，无需盐桥
○ 正极材料的种类
○ 类型 1. LCO
○ 材质 : LiCoO2
○ 类型 : 钴基
○ 优势 : 产能
○ 缺点 : 输出/安全
○ 应用： IT
○ 2 型. NCM
○ 材质 : Li[NiCoMn]O2
○ 类型 : 三元
○ 优势 : 产能
○ 缺点 : 输出/安全
○ 应用： EV、ESS
○ 类型 3. NCA
○ 材质 : Li[NiCoAl]O2
○ 类型 : 三元
○ 优势 : 产能/产量
○ 缺点 : 安全
○ 应用 ： 非 IT、EV
○ 高镍 : 旨在替代昂贵的钴、NCA，阴极镍含量超过 90%
○ 类型 4. 改性活生物体
○ 材质 : LiMn2O
○ 类型 : 锰基
○ 优点 : 产量
○ 缺点 : 容量
○ 应用 ： 非 IT、ESS
○ 5 型. LFP
○ 材质 : LiFePO4
○ 类型 : 磷酸铁基
○ 优点 : 安全
○ 缺点 : 容量
○ 应用 ： 非 IT、EV
⑬ 其他类型电池
○ 锂锰电池 : 原电池，用于内存备份
○ 锌空气电池：原电池，以空气为电解质，用于助听器、医疗监护设备
○ 氧化银电池 : 原电池，用于手表
○ 锂碘电池 : 原电池，为电路提供长期供电，用于人工心脏起搏器
图。 7. 锂碘电池
○ 镍氢电池 : 二次电池，用于便携式设备（笔记本电脑、手机等）
○ 锂离子电池 : 二次电池、电极材料（锂碳），用于电动汽车、手机、无人机
⑸ 太阳能电池（光伏电池）：利用光伏效应
① 当P型和N型半导体接合时，施加电压时，PN结周围会产生从N到P的电场
② 为半导体内的电子流动建立导线连接
③ 将光照射到 N 型半导体一侧，导致 PN 结处的电子从 P 向 N 移动
④ 逆变器将直流电转换为交流电
图。 8. 太阳能电池
⑹ 直流发电机 ： 利用法拉第电磁感应定律
图。 9. 直流发电机
图。 10. 直流发电机
⑺ 整流电子电源
① 交流→直流
② 电源结构：（右）从上到下：电压调节螺钉、限流检查器、开关排列
图。 11. 整流电子电源> ② 类型
终端数量
③ - 连接至接地端子的端子 ： 电压设置为 10 V
④ + 端子连接至接地端子 : 电压设置为 15 V
⑤ 浮动电源 : 如果接地端子未连接到任何端子，则存在触电危险
○ 由于空气电荷，10 V 可能变成 200 V/210 V
⑥ 不间断电源（UPS）
○ UPS : 当输入电源出现异常时，可以正常向负载供电
○ 框图
图。 12. 不间断电源
○ 转换器 : 将交流电转换为直流电
○ 逆变器 : 将直流电转换为标准频率的交流电
⑻ 热电偶
① 塞贝克效应（热现象）：也称为热电效应
○ 定义： 当两个不同导体或半导体的末端连接时，施加温差会产生电动势
○ 也称为热电
○ 由 Thomas S. Seebeck 于 1821 年发现
② 常将一端浸入冰水（0°C）中作为温度传感器使用
○ 热电势的大小和极性与导线的粗细或长度无关
○ 热电系数： 每1°C温差的热电功率
③热电偶的种类有Bi、Sb薄膜、单晶硅等材料。
④ 与热敏电阻相比，热电偶的应用范围更广
⑤ 热电偶对于实际电力应用来说较弱
图。 13. 热电偶示例
⑥ 与热敏电阻相比，热电偶的应用范围更广
图。 14. 热电偶和热敏电阻之间的比较
⑼ 压电传感器
① 压电效应
图。 15. 压电效应1
○ 定义 ： 某些晶体在施加压力时会发生变形，产生极化电压
○ 也称为 压电
○ 示例 ： 石英、陶瓷、硫化镉、砷化镓化合物
○ 应用 ： 燃气灶、称重传感器、麦克风、扬声器等。
② 用于压力传感器、力传感器、加速度计、超声波器件等。
③ 索尔布雷方程
○ f0 : 谐振频率 (Hz)
○ Δf : 频率变化 (Hz)
○ Δm : 负载质量 (g)
○ A : 晶体的压电活性面积（电极面积）（cm²）
○ ρq : 石英的密度 (2.648 g/cm3)
○ μq : AT切割石英晶体的剪切模量 (2.947 × 1011 g/cm·s²)
○ vq : 石英中的横波速度 (m/s)
④（注）压阻现象
○ 由于压力或压力而导致电阻变化
○ 通常，阻力会随着施加的压力而增加
3。当前来源
⑴ 概述
①定义：在特定条件下提供恒定电流的电源
② 内阻越高，电流源越能在外部电阻存在的情况下保持稳定的电流
⑵ 分类
① 独立电流源：始终提供恒定电流
② 相关电流源 ： 根据外部电路条件提供电流
○ CCCS（电流控制电流源）： 左
○ VCCS（压控电流源）： 右
⑶ 实用电流源（非理想电流源）
图。 16. 实用电流源
⑷ 晶体管
① 有些晶体管在一定电压以上起电流源的作用
② 电压-电流图
图。 17. 电压-电流图
③ 等效电路
图。 18. 电流源等效电路
④ 应用： 恒流电池充电器
○ 使用整流电路将交流电转换为直流电» ○ 优点 1. 恒压模式充电时间大大缩短
○ 优点 2. 在手机电池中，波动电流会造成损坏
输入：2015.12.29 18:57
修改: 2022.09.11 16:14