電路模型中引入理想電流源和理想電壓源的概念有什麼意義？四種受控源在實際電路中是怎麼實現的？

01-05

回答第二個問題時請考慮受控量和控制量在空間上的距離。
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對第一個問題表述不準確
題主並不是不理解「理想」的含義，畢竟這類概念在大霧中已經接觸了很多了。
問題在於：

1）既然電源是提供能量的，那麼為什麼要將電源分成電流源和電壓源兩類？
2）既然把電源分成了兩類，那麼說明是有意義的，即可以反映一定的電路現象，那麼電流源和電壓源在實際中是怎樣實現的？
3）理想電源模型的引入是否為了簡化或者反應某種特別的現象（恆定的電流或者電壓）。這種現象的產生原因又是什麼（題主想到在解這類題目時往往是相對麻煩的）？

1.首先拆開來進行理解，即：「理想」、「電壓/電流「、「源」。

a.理想是針對非理想情況而言，實際電路中存在著非常多的非理想情況，有時候這種情況可能是非常複雜的。而人的學習過程總是由淺至深，不可能直接一來就上一個非常複雜的模型進行學習。我們入門的目的是先要熟悉理論。所以，剛開始時，我們需要建立一個儘可能簡單且包含該理論知識的模型來供我們理解分析。理想就是要去除一些不必要的干擾項，簡化模型，方便分析。

b.電壓、電流是電路中最基本的兩個物理量。電壓電流作用在元器件上則產生各種各樣的效應，以滿足我們需要的功能，電路無法拋開這兩個物理存在。

c.源用來提供能量或者一種參考。有能量提供，某些器件才能運作；有參考輸入，某些器件才能實現特定功能。

所以，理想電壓、電流源是一種簡化了的、可以作用於元器件，使其產生各種效應的物理存在。

理想電壓源內阻為0，可以提供無窮的能量，實際的電壓源內阻不為0，能提供的能量有限。

理想電流源內阻無窮大，可以提供無窮大的能量，實際的電流源內阻有限，能提供的能量有限。

使用理想電壓電流源建立電路模型，雖然不能完全表徵實際情況，但是能簡化分析，幫助理解消化電路理論。為以後的實戰打下堅實的理論基礎。

2.受控源是一種等效模型，在實際電路中會利用元器件的特性來實現受控源的功能。比如三極體，它是一種電流控制電流器件，用它可以實現電流控制電流源（間接的實現電壓源亦可）；再比如場效應管，它是一種電壓控制電流器件，用它可以實現電壓控制電流源（間接的實現電壓源亦可）；再者利用各種感測器也可實現各種受控源。

題主提出「考慮受控量和控制量在空間上的距離」，或許是因為看到這個角落的電壓如何控制那個角落的電流這種情況時所感受到的匪夷所思。其實實現這個也很容易，只要對某處的電壓或電流進行取樣，然後用取樣得到的電壓或電流作用於某種元器件，就可以實現各種具有空間距離感的受控源。

題主接觸的東西還少，目前只需要好好理解和消化電路理論知識就好了。以後的課程將會慢慢接觸一些實際中的元器件。到時候根據學過的理論知識結合元器件的特性，就可以演變或實現各種功能的電路。

（1）關於電壓源

我們來看下圖：

先分析左圖。圖中的端電壓UR為：

$U_{R} =frac{ER}{r+R}$

這裡的r是電源內阻，R是負載。

若R是可調的，我們把它往小處調，於是有：

$U_{R} =lim_{R ightarrow 0}{frac{ER}{r+R} } =0$

也即隨著R的不斷減小，UR也不斷減小，一直等於零，其曲線就是右圖中電壓源曲線。

如果我們期望電壓UR不減小，那應當怎麼辦呢？

辦法是：減小電源的內阻r，直到r=0，這時系統的電壓就始終等於電源電動勢E了。

我們看到，隨著R的減小，電流越來越大，這就需要電源具有極大的能量才行。

我們把這種具有輸出電壓保持不變且其內阻為零的電壓源稱為理想電壓源。

那麼在日常生活中，理想電壓源是否存在呢？理想電壓源其實不存在，但准理想電壓源倒是存在的，這就是配電網。

我們把第一個式子略加變形，如下：

$U_{R} =frac{E}{1+frac{r}{R} }$

上式中，如果r=R/50，則有：

$U_{R} =frac{E}{1+frac{1}{50} } approx 0.98E$

注意，這裡的R是短路狀態下的配電網電阻。如果即使在配電網發生短路時，電源的內阻仍然小於或者等於短路線路電阻的1/50，則短路前後電壓基本不變。這種配電網叫做無限大容量的配電網。

我們不妨就把這種無限大容量配電網稱為準理想電壓源吧。

注意，准理想電壓源是交流電源，並非普通的直流電壓源。

（2）關於電流源

電流源的分析與電壓源類似。不同的是：電壓源的內阻很小，理想電壓源的內阻為零。而電流源的內阻很大，理想電流源的內阻為無窮大。

（3）電壓源和電流源的實現方法

電壓源可以用共集電極電路來實現，電流源可以用共基極電路來實現。

例如串聯型穩壓電源，就是典型的電壓源電路。

再例如4-20毫安的電流輸出單元，就是典型的電流源電路。

首先無論接觸科學還是物理問題，都需要提出模型，電路一開始發展最初抽象除了電壓和電流模型，那麼總共就這兩個量，那麼從某種意義上來說提出四種可控或者兩種獨立模型可以說體現了這套模型的完備性，無論你如何實現，先把模型提出來。這其實很像電路的network theory，裡面四種對於二埠網路的描述更是抽象，一些量完全感受不到任何物理意義，但是這些模型仍然對電路設計有指導性意義。而高頻的s參數模型更是已經不直接用電壓和電流來描述電路了。

理想電壓源和電流源也很好理解，理論理想模型而已，實際的我們並上個或者串上個電阻就好。

現在集成電路中用的最多的電壓控制電流源，跨導的概念，其他的我自己見的不太多。還有你說的空間距離，經典電路模型不會考慮這個問題，因為這套理論發展時候的理論環境還沒有必要把這些東西納入考慮範圍，電路工作頻率很低，波長遠遠大於電路尺寸。

至於如果你要考慮信號傳輸情況的延遲問題，請參見微波傳輸線理論。

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1）既然電源是提供能量的，那麼為什麼要將電源分成電流源和電壓源兩類？

能量是個籠統的概念，力學中是牛每米，而電學中是UI*time，單說功率就是電壓乘電流. 如果只抽象一個你說的能量源, 那麼對於U和I的信息我們無法獲得。就假設存在一個你所說的能量源，我們串個電阻，這個電路如何描述？能量源能量恆定？那無論我們串多大的電阻也損耗一定的能量？這顯然很莫名其妙。

2）既然把電源分成了兩類，那麼說明是有意義的，即可以反映一定的電路現象，那麼電流源和電壓源在實際中是怎樣實現的？

學過戴維南諾頓等效你可以假象，電流源是一個內阻看進去很大，而電流相對穩定的等效電路，至於這個電路如何實現現在講了你可能也不是太理解，比如cascode。

電壓源同樣的，你可以理解成一個電壓相對穩定，而等效電阻看進去很小的電路。至於電路如何實現，和上面所提一樣的，你可以不用太關心。

我這裡所說的都是某種實現了上述功能的特定電路組合，而非天生就完美具有有這些性質的原件，比如MOS管開了以後可以近似模擬下電流源，電壓源的話基本就是電池了，或者正嚮導通的二極體近似看成0.7v的電壓源。

3）理想電源模型的引入是否為了簡化或者反應某種特別的現象（恆定的電流或者電壓）。這種現象的產生原因又是什麼（題主想到在解這類題目時往往是相對麻煩的）？

肯定是為了簡化現象，而你現在所學的電路原理裡面的那些電路的目的基本只是為了讓你熟悉KVL,KCL，現實電路哪有那麼多莫名其妙的理想源，這種現象產生的原因就只有一個，讓你熟悉KVL,KCL.