电路元件伏安特性的测定

    实验三　电路元件伏安特性的测定

    一、实验目的

    1．掌握线性、非线性电阻的概念以及理想、实际电源的概念。

    2．学习线性电阻元件和非线性电阻元件伏安特性的测试方法。

    3．学习电源外特性的测量方法。

    4．掌握应用伏安法判定电阻元件类型的方法。

    5．学习直流稳压电源、直流电压表、直流电流表等仪器的正确使用。

    二、实验内容

    1．电阻元件伏安特性的测量。

    2．测定整流二极管的伏安特性。

    3．测定稳压二极管的伏安特性。

    4．测定理想电压源的伏安特性。

    5．测定实际电压源的伏安特性。

    三、实验仪器与设备

    

    四、实验原理

    二端电阻元件的伏安特性是元件的端电压与通过该元件电流之间的函数关系。独立电源和电阻元件的伏安特性可以用电压表、电流表测定，称为伏安测量法。由测得的伏安特性可了解被测元件的性质。

    1．电阻元件

    线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定理，在关联参考方向下，可表示为u＝Ri，其中R为常量，称为电阻的阻值。其伏安特性曲线是一条过坐标原点的直线，具有双向性。

    非线性电阻元件的阻值R不是一个常量，其伏安特性曲线是一条过坐标原点的曲线。非线性电阻的种类很多，而且应用也很广泛，钨丝灯泡、普通二极管、稳压二极管、恒流管和隧道二极管都是非线性电阻元件。

    在被测电阻元件上施加不同极性和幅值的电压，测量流过该元件的电流；或在被测电阻元件中通入不同方向或幅值的电流，测量该元件两端的电压，都可得到被测电阻元件的伏安特性。

    2．电压源

    理想直流电压源输出固定幅值的电压，输出电流的大小由外电路决定，因此它的外特性曲线是平行于电流轴的直线。实际电压源的电压U和电流I的关系为U＝U_S－R_SI。在线性工作区可以用一个理想电压源U_S和内电阻R_S相串联的电路模型来表示。实际电压源的外特性曲线和理想电压源的外特性曲线有一个夹角θ，θ越大，说明实际电流源内电阻R_S越大。

    将电压源与一可调电阻R_L相连，改变负载电阻R_L的阻值，测量相应的电压源电流和端电压，可得到被测电压源的外特性。

    3．电流源

    理想电流源输出固定幅值的电流，其端电压由外电路决定，因此它的外特性曲线是平行于电压轴的直线。实际电流源的电流I和电压U的关系为I＝I_S－G_SU。在线性工作区内可以用一个理想电流源和内电导相并联的电路模型来表示。实际电流源的外特性曲线和理想电流源的外特性曲线有一个夹角θ，θ越大，说明实际电流源内电导G_S越大。

    五、实验注意事项

    1．阅读实验中所用仪表的使用介绍，注意量程和功能的选择。注意电压源使用时不能短路。

    2．测二极管正向特性时，稳压电源的输出应由小到大逐渐增加。应时刻注意电流表读数不得超过20mA，稳压源输出端切勿碰线短路。

    3．进行不同的实验时，应先估算电压和电流值，合理选择仪表的量程，勿使仪表超量程；仪表的极性亦不可接错。

    

    

    图4－10　测试线性电阻元件伏安特性的电路图

    六、实验内容与步骤

    1．线性电阻元件伏安特性的测量

    取R＝200Ω作为被测元件，先将稳压电源的输出调为12V，关闭电源，按图4－10接线。经检查无误后，接通电源，调节可变电阻器，使电压表示数分别为表4－6中所列数值，记录相应的电流值于表中（注意有效数字的读取），绘制U－I关系曲线图。

    

    表4－6　电阻元件伏安特性测量数据

    

    

    

    图4－11　测试非线性电阻正向伏安特性电路图

    2．非线性电阻元件伏安特性的测量

    （1）测定整流二极管的伏安特性

    被测对象为半导体二极管。由于硅二极管、锗二极管的正向导通压降不一样，为了使特性曲线测得准确，先从低到高初测出一组电压值，由测量结果描出曲线草图，然后根据形状，合理选取电压值进行测量。曲线曲率大的地方，相邻电压数值要选得靠近一些；曲率小的地方，可选的疏一些。按图4－11接线，U_S为可调稳压电源，VD是整流二极管，可变电阻R_L用以调节电压，r为限流电阻，用以保护二极管。测二极管VD的正向特性时，调节电源输出电压为12V，改变可变电阻R_L的值。二极管正向电流不得超过25mA，正向压降可在0～0．75V之间取值，特别是在0．5～0．75V之间应多取几个测试点。作反向特性实验时，只需将图4－11中的二极管VD反接，使R_L＝1kΩ，可调稳压源的输出电压U_S从0V开始缓慢增加，二极管反向电压可在0～30V之间取值。由于二极管是单向性元件，注意使用中其端钮的接线。线路连好后，按表4－7和表4－8所列数据观测并记录结果，在U－I平面中绘出其伏安特性曲线。

    

    表4－7　整流二极管正向伏安特性测量数据

    

    

    表4－8　整流二极管反向伏安特性测量数据

    

    （2）测定稳压二极管的伏安特性

    将整流二极管换成稳压二极管，按如图4－11所示电路接线，调节电压源输出电压为8V，改变可变电阻R_L的值，重复实验内容（1），其正、反向电流不得超过±20mA。将被测稳压二极管上的电压、电流值填入表4－9和表4－10中。根据被测数据，绘制稳压二极管伏安特性曲线图。

    

    表4－9　稳压二极管正向伏安特性测量数据

    

    

    表4－10　稳压二极管反向伏安特性测量数据

    

    3．测定理想电压源、电流源伏安特性

    

    

    图4－12　测定理想电源伏安特性电路图

    被测对象是直流稳压电源，由于其内阻R₀≤30mΩ，在和外电路电阻相比可忽略不计的情况下，其输出电压基本维持不变，可视为一理想电压源。实验电路如图4－12所示，其中r＝200Ω为限流电阻，R_L为1kΩ可变电阻器。接好电路，调节稳压源输出U_S＝10V，保持稳压源输出电压不变，改变电阻R_L的值，使电流表读数分别如表4－11所示，记录测量结果，并绘制伏安特性曲线。

    电流源伏安特性的测量与电压源的测量方法一致，将电流源按如图4－12所示电路连接，调节恒流源输出为10mA，保持恒流源输出不变，改变电阻R_L的值，使电压表读数分别如表4－11所示，记录测量结果。

    

    表4－11　理想电源伏安特性测量数据

    

    

    

    图4－13　测定实际电压源伏安特性电路图

    4．测定实际电压源的伏安特性

    直流稳压电源其内阻很小，为了了解实际电压源的伏安特性，选取一个电阻作为稳压电源的内阻，串联组成一个实际电压源模型，然后测量其伏安特性。实验电路如图4－13所示，调节稳压源输出U_S＝12V，保持稳压源输出电压不变，改变电阻R_L的值，使电流表读数分别如表4－12所示，记录测量结果，并绘制伏安特性曲线、写出解析式。

    

    表4－12　实际电压源伏安特性测量数据

    

    七、实验报告要求

    1．根据测量数据，在坐标纸上按比例绘制出伏安特性曲线，由特性曲线求出各种情况下实际电源的内阻值，并与实验给定的内阻值相比较，分析引起误差的主要原因。

    2．简要解释各特性曲线的物理意义。

    3．根据伏安特性曲线，判断各元件的性质和名称。由线性电阻的特性曲线求出其电阻值。

    4．根据实验结果，总结、归纳被测各元件的特性。

    八、实验思考题

    1．线性电阻和非线性电阻的概念是什么？电阻器与二极管的伏安特性有何区别？

    2．设某器件伏安特性曲线的函数式为I＝f（U），试问在逐点绘制曲线时，其坐标量应如何放置？

    3．稳压二极管与普通二极管有何区别？其用途如何？

    

    

    图4－14　用伏安法测电阻元件的伏安特性曲线

    4．用伏安法测量电阻元件伏安特性曲线的电路如图4－14（a）所示。由于电流表内阻不为零，电压表的读数包括了电流表两端的电压，给测量结果带来了误差。为了使被测元件伏安特性更准确，设电流表的内阻已知，如何用作图的方法对测得的伏安特性曲线进行校正？若将实验电路换为电压表后接，如图4－14（b）所示，电流表的读数包括了流经电压表支路的电流，设电压表的内阻为已知，对测得的伏安特性又如何校正？