实验一电路元件的伏安特性测试(共5页)

1实验一电路元件的伏安特性测试一、实验目的1．了解线性电阻与非线性电阻伏安特性的差别。2．掌握独立电源伏安特性的测量方法，加深对电压源、电流源特性的认识。3．掌握交直流稳压电源、台式数字万用表的使用方法。4．练习实验曲线的绘制。二、实验原理简述任何一个二端元件的特性可用该元件上的端电压u与通过该元件的电流i之间的函数关系)(ifu来表示，即用iu平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。1．无源器件（1）线性电阻器是理想元件，在任何时刻它两端的电压与其电流的关系服从欧姆定律。线性电阻器的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图1.1中（a）曲线所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。在一定的条件下，金属膜电阻器、绕线电阻器等的伏安特性近似为一直线。（2）非线性电阻器元件的伏安特性不是一条直线，它在u—i平面上的特性曲线各不相同，下图所示的分别是钨丝电阻灯泡1.1（b）、稳压管1.1（c）、普通二极管1.1（d）的特性曲线。另外，如光敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、压敏电阻等也是非线性电阻器。由于它们的特性各异，被广泛应用在工程检测、电路保护和控制电路中。图1.1无源器件的伏安特性曲线一般的白炽灯在工作时灯丝处于高温状态时，其灯丝电阻随着温度的升高而增大，通过白炽灯的电流越大，其温度越高，阻值也越大，一般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”的阻值可相差几倍至十几倍，所以它的伏安特性如图1.1中（b）曲线所示。稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性较特别，如图1.1中（c）曲线所示。在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当电压增加到某一数值时（称为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加的反向电压升高而增大。一般的半导体二极管是一个非线性电阻元件，其特性如图1.1中（d）曲线所示。正向压降很小（一般的锗管约为0.2～0.3V，硅管约为0.5～0.7V），正向电流随正向压降的升高而急骤上升，而反向电压从零一直增加到十多至几十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可2视为零。可见，二极管具有单向导电性，但反向电压加得过高，超过管子的极限值，则会导致管子击穿损坏。2．有源器件有源器件是能够输出电能的装置，发电机、电池是典型的有源器件。其特性可用该器件的端电压与输出电流之间函数关系)(IfU来表示，将此关系绘制成IU平面上的一条曲线，即为该器件的“伏安关系曲线”（或称外特性曲线）。图1.2为某一电源的外特性曲线。其特点是：在AI~0段随着电流的增加，端电压直线下降，过了AI以后，电压急剧下降。图1.2电源器件的伏安特性下面，研究该有源器件的模型。如果我们只考虑工作于AI~0范围内，此电压伏安关系特性用数学公式表示为一直线，即：IRUUss（1）该电源器件在０～AI段工作时的电路模型如图1.3b，即为电压源与电阻的串联组合。SU为电压源电压，SR为内阻，显然SR由该直线对I轴的斜率来确定。（a）（b）图1.3电源器件的电压源、电阻串联电路模型如果工作于BAII~范围，图1.2中AB段不是直线，而是弯曲的，若仍用图1.3b的电路模型，则SR不是常数，即内阻随着输出电流而改变。如果工作于大电流，即sBII~范围，图1.2中的SBI段可近似看作一直线，此段直线3的数学表示式可写为：UGIISS（2）在SBII~范围内，该电源器件的电路模型如图1.4b所示，即为电流源与电导并联组合电流源电流为SG，显然SG之值由直线SBI与纵轴U的夹角的正切确定。（a）（b）图1.4电源器件的电流源、电导并联电路模型0SR时的电源器件称为“恒压源”（即理想电压源），其特性曲线与横轴I平行。0SG（即SR）的电源器件称为“恒流源”（即理想电流源），其特性曲线与纵轴U平行。可见，同一电源器件，不同的工作范围，所用的电路模型不同。三、实验仪器设备及元器件1．直流稳压电源2．直流毫安表3．万用表4．电阻元件、钨丝白炽灯、半导体二极管四、预习及思考1．预习关于电阻元件伏安特性关系、电压源与电流源的外特性等内容。2．对实验电路的理论值进行分析与计算。五、实验内容与要求1．线性电阻的伏安特性选取阻值为300Ω的电阻R，按图1.5接线。图中US用可调节的稳压电源，按照表1.1的数据，测量不同电压情况下电流大小，完成表格内容，并在坐标纸上绘出其伏安特性曲线。图1.5电源器件的电流源、电导并联电路模型4表1.1U（V）6810121416182022I（mA）U/I2.钨丝白炽灯的伏安特性将图1.5中的电阻换成12V的白炽灯泡。完成表格1.2的内容并绘制相关伏安特性曲线。表1.2U（V）124681012I（mA）U/I3.半导体二极管的伏安特性按图1.6接线，限流电阻为200Ω，注意以下两种情况二极管VD的极性。（1）二极管的正向特性。注意所加电压从0开始逐渐增大，测量不同电压情况下的电流大小。其正向电流不得超过25\mA，二极管的正向压降可在0~0.75V之间取值。将测量数据填入表1.3中。图1.6二极管伏安特性测量电路表1.3U（V）00.200.400.450.500.550.600.650.700.75I（mA）（2）二极管的反向特性。将图1.6中的二极管反接，测量不同电压情况下的电流大小，其反向电压最大可加到30V，将数据填入表1.4中。表1.4U（V）0-5-10-15-20-25-30I（mA）4.测量电源的外特性（1）测量理想电压源和实际电压源的外特性。按图1.7（a）接线，完成表1.5的测量内容。图1.7电源的外特性测量电路5表1.5RL（Ω）0100200300510100020005100∞RS=0I（mA）U（V）RS=100ΩI（mA）U（V）（2）测量理想电流源和实际电流源的外特性。按图1.7（b）接线，完成表1.5的测量内容。表1.6RL（Ω）0100200300510100020005100∞RS=∞I（mA）U（V）RS=1KΩI（mA）U（V）根据表1.5和表1.6的数据，在坐标纸上作出各自的伏安特性曲线。六、实验注意事项1．测量二极管正向特性时，直流稳压电源的输出电压应由小到大逐渐增加，应注意电流表读数不得超过25mA，直流电源的输出端切勿短路。还要注意各器件连接时的极性。2．进行实验时，应先估算电压和电流值，合理选择仪表的量程，同时还要注意表的极性不可接错。七、实验总结及思考1．根据实验得到的数据，分别在坐标纸上绘出光滑的伏安特性曲线，特别注意二极管的正反向特性均要求画在同一个坐标系下（正反向电压可取不同的比例尺）。2．根据实验结果，总结、归纳被测各元件的特性。从伏安特性曲线看，欧姆定律对哪些元件成立，哪些元件不成立？3．比较理想电源和实际电源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？稳压串联电阻构成的电压源，它的输出电压和输出电流之间有什么关系？电流源呢？4．进行必要的误差分析，谈谈实验的心得体会及其他。