线性与非线性元件伏安特性的测定

11．线性与非线性元件伏安特性的测定一．实验目的1．学习直读式仪表和直流稳压电源等仪器的使用方法2．掌握线性电阻元件、非线性电阻元件的伏安特性的测试技能3．加深对线性电阻元件、非线性电阻元件伏安特性的理解．验证欧姆定律二．实验原理电阻元件是一种对电流呈现阻力的元件，有阻碍电流流动的性能。当电流通过电阻元件时，电阻元件将电能转换成其它形式的能量．并沿着电流流动的方向产生电压降。电压降的大小等于电流的大小与电阻的乘积。电压降和电流及电阻的这一关系称为欧姆定律。U=IR上式的前提条件是电压U和电流I的参考方向相关联．亦即参考方向一致。如果参考方向相反．则欧姆定律的形式应为U＝-IR电阻上的电压和流过它的电流是同时并存的．也就是说，任何时刻电阻两端的电压降只由该时刻流过电阻的电流所确定，与该时刻前的电流的大小无关，因此，电阻元件又被称为“无记忆”元件。当电阻元件R的值不随电压或电流大小的变化而改变时，则电阻R两端的电压与流过它的电流成正比例。我们把符合这种条件的元件称为线性电阻元件。反之．不符合上述条件的电阻元件被叫做非线性电阻元件。电阻元件的特性除了用电压和电流的方程式表示外，还可以用其电流和电压的关系图形来表示，该图形称为此元件的伏安特性曲线。线性电阻的伏安特性曲线为一条通过坐标原点的直线，该直线的斜率即为电阻值，它是一个常数。如图1-1所示。半导体二极管是一种非线性电阻元件。它的电阻值随着流过它的电流的大小而变化。半导体二极管的电路符号用表示．其伏安特性如图1-2所示。由此可见半导体二极管的伏安特性为非对称曲线。图1-1线性电阻的伏安特性图l-2半导体二极管伏安特性对比图1-l和图1-2可以发现，线性电阻的伏安特性对称于坐标原点。这种性质称为双向性，为所有线性电阻元件所具备。半导体二极管的伏安特性不但是非线性的．而且对于坐标原点来说是非对称性的，又称非双向性。这种性质为多数非线性电阻元件所具备。半导体二极管的电阻随着其端电压的大小和极性的不同而不同，当外加电压的极性和二极管的极性相同时，其电阻值很小，反之二极管的电阻很大。半导体二极管的这一性能称为单向导电性，利用单向导电性可以把交流电变换成为直流电。2三．实验内容和步骤1．测定线性电阻的伏安特性本实验在九孔实验方板上进行。分立元件R=200Ω和R=2000Ω电阻作为被测元件．井按图1-3接好线路。经检查无误后．打开直流稳压电源开关。依次调节直流稳压电源的输出电压为表1-1l中所列数值。并将相对应的电流值记录在表1-l中。图1-3测量电阻的伏安特性电路图表1-1测定线性电阻的伏安特性U(V)0246810R=200ΩI(mA)R=2000ΩI(mA)2测量半导体二极管(1)正向特性图1-4(a)测量半导体二极管正向伏安特性电路图按图1-4(a)接好线路。经检查无误后，开启稳压电源．输山电压调至2v。调节电位器R，使电压表读数分别为表1-2中数值，井将相对应的电流表读数记于表1-2中，为了便于作图，在曲线弯曲部分可适当多取几个测量点。表1-2测定二极管的正向伏安特性U(V)00.10.20.30.40.50.550.60.650.70.75I(mA)(2)反向特性3图1-4(b)测量半导体二极管反向伏安特性电路图按图1-4(b)接好线路。经检查无误后，开启稳压电源．输山电压调至20v。调节可变电阻器使电压的读数分别为表1-3中所列数值，井将相对应的电流表读数记入表1-3中。表1-3测定二极管的反向伏安特性U(V)05101520I(mA)3．测定小灯泡灯丝的伏安特性图1-5测最小灯泡灯丝伏安特性电路图本实验采用低压小灯泡做为测试对象。接图1-5接好线路．经检查无误后．打开直流稳压电源开关。依次调节电源输山电压为表2—4所列数值。井将相对应的电流值记录在表1－4中。表1-4测定小灯泡灯丝的伏安特性U(V)00．40．81．21．6234568I(mA)四．实验设备名称数量型号1．直流可调电压0－30V板1MC10462电阻310Ω×1，200Ω×1，2kΩ×13电位器11kΩ×14二极管15灯座和灯泡112V/0,1A×16标准型导线若干7标准型短接桥若干8九孔实验方板1块200mm×300mm9交直流电压电流表2块MC1102，MC1108五．分析与讨论41．按报告单上所列项日认真填写实验报告。2．根据实验中所得数据，在坐标纸上绘制两个线性电阻、半导体二极管、小灯泡灯丝的伏安特性曲线。3．分析实验结果，并得出相应结论。4．回答下列思考题：（1）试说明图1-4(a)、(b)中电压表和电流表接法的区别，为什么?（2）通过比较线性电阻与灯丝的伏安特性曲线分析这两种元什性质的异同。（3）什么叫双向元件?白炽灯灯丝是双向元件吗?2．基尔霍夫定律的验证一实验目的1．通过实验验证基尔霍夫电流定律和电压定律，巩固所学理论知识2．加深对参考方向概念的理解二实验原理基尔霍夫定律是电路理论中最基本也是最重要的定律之一。它概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律。它包括基尔霍夫节点电流定律(KCL)和基尔霍夫回路电压定律(KVL)。基尔霍夫节点电流定律：电路中任意时刻流进(或流出)任一节点的电流的代数和等于零。其数学表达式为：∑I=0。此定律阐述了电路任一节点上各支路电流间的约束关系，这种关系与各支路上元件的性质无关，不论元什是线性的或是非线性的，含源的或是无源的，时变的或时不变的。基尔霍夫回路电压定律；电路中任意时刻．沿任一闭合回路，电压的代数和为零。其数学表达式为∑U=0。此定阐明了任一闭合回路中各电压间的约束关系。这种关系仅与电路的结构有关．而与构成回路的各元件的性质无关。不论这些元件是线性的或非线性的，含源的或无源的，时变的或时不变的。参考方向：KCL和KVI表达式中的电流和电压都是代数量。它们除具有大小之外，还有其方向，其方向是以它量值的正、负表示的。为研究问题方便，人们通常在电路中假定一个方向为参考．称为参考方向。当电路中的电流(或电压)的实际方向与参考方向相同时取正值，其实际方向与参考方向相反时取负值。例如，测量某节点各支路电流时，可以设流入该节点的电流方向为参考方向(反之亦可)。将电流表负极接到该节点上，而将电流表的正极分别串入各条支路，当电流为正值，表示电流方向与参考方向相同；当电流为负值，表示电流方向与参考方向相反。测量某闭合电路各电压时，也应假定某一绕行方向为参考方向。按绕行方向测量各电压时，若电压为正值，表示电压方向与参考方向相同；当电压为负值，表示电压方向与参考方向相反。三实验内容和步骤1．验证基尔霍夫电流定律(KCL)。本实验在九孔实验方板上进行．按图2-1接好线路，图中x1、x2、x3，X4、x5、x6为节点B的三条支路电流测量接口(三条支路自己定义)。在实验过程中．先将此六个节点用短接桥连接，在测量某个支路电流时，将电流表接在该支路接口上，然后拔掉此支路接口上的短接桥即可测量此处的电流。验证KCL定律时，可假定流入该节点的电流为正(反之也可)，5并将表笔负极接在节点接口上，表笔正极接到支路接口上。将测量的结果填入表2-l中。图2-1实验电路图表2-1验证基尔霍夫电流定律计算值测量值绝对误差I1(mA)I2(mA)I3(mA)∑I(mA)2验证基尔霍夫回路电压定律(KVL)。-实验电路与图2-1相同，用短接桥将三个电流接口短接。取两个验证同路：回路1为ABEFA，同路2为BCDEB。用电压表依次测取ABEFA同路中各支路电压UAB、UBE、UEF和UFA：BCDEB回路中各支路电压UBC、UCD、UDE、UEB，。将测量结果填入表2-2中。测量时可选顺时针方向为绕行方向，并注意被测电压的极性。表2-2验证基尔霍夫电压定律单位：vUABUBEUEFUFA回路∑UUBCUCDUDEUEB回路∑U计算值测量值误差四．实验设备名称数量型号1直流可调电压0~30V扳1MCl04624-15V及恒流源200mA扳1MC10343电阻5430Ω×1，620Ω×1，680Ω×14交直流电压电流表1MC1108或MC1102j标准型导线若干6标准型短接桥若干7九孔实验方扳1块200mm×300mm五．分析与讨论1．利用表2-1和表2-2中的测量结果验证基尔霍夫两个定律。2．利用电路中所给数据，计算各支路电压和电流，并计算删量值与计算值之问的误差，分6析误差产生的原因。3．回答下列问题1)已知某支路电流约为3mA，现有一电流表分别有20mA,200mA和2A三挡量程．你将使用电流表的哪档量程进行测量？为什么？2)改变电流或电压的参考方向，对验证基尔霍犬定律有影响吗?为什么?3．戴维南定理和诺顿定理实验一实验目的l通过实验验证戴维南定理和诺顿定理．加深对等效电路概念的理解2学习用补偿法测量开路电压。二实验原理1．对任何一个线性含源一端口网络(如图3-1(a))，根据戴维南定理，可以用图3-1(b)所示电路代替；根据诺顿定理，可以用图3-1(c)所示电路代替。其等效条件是：UOC是含源一端口网络C、D两端的开路电压；ISC是含源一端口网络C、D两端短路后的短路电流；电阻R是把含源一端口网络化成无源网络后的入端电阻。(a)含源一端口网络(b)用戴维南定理等效替代(c)用诺顿定理等效替代图3-l等效电源定理用等效电路替代一端口含源网络的等效性，在于保持外电路中的电流和电压不变，即替代前后两者引出端钮间的电压相等时，流出(或流入)引出端钮的电流也必须相等(伏安特性相同)。2．含源一端口网络开路电压的测量方法。(1)直接测量法：当含源一端口网络的入端等效电阻Ri与电压表内阻Rv相比可以忽略不计时，可以直接用电压表测量其开路电压Uoc。(2)补偿法当一端口网络的入端电阻Ri与电压表内阻Rv相比不可忽略时，用电压表直接测量开路电压，就会影响被测电路的原工作状态，使所测电压与实际值间有较大的误著。补偿法可以排除电压表内阻对测量所造成的影响。图3-2是用补偿法测量电压的电路，测量步骤如下：1)用电压表初测一端口网络的开路电压，井调整补偿电路中分压器的电压，使它近似等丁初测的开路电压，2)将C、D与C’、D’对应相接．再细调补偿电路中分压器的输出电压．使检流计G的指示为零。因为G中无电流通过，这时电压表指示的电压等于被测电压．并且补偿电路的接入没有影响被删电路的工作状态。7图3-2补偿法测一端口网络的开路电压3．一端口网络入端等效电阻Ri的实验求法：入端等效电阻Ri，可根据一端口网络除源(电压源短路、电流源开路，保留内阻)后的无源网络通过计算求得．也可通过实验的办法求出。1)测量含源一端口网络的开路电压Uoc和短路电流Isc，则OCiSCURI2)将含源一端口网络除源，化为无源网络P，然后按图3—3接线，测量Us和I，则SiURI图3-3测量一端口无源网络输入端电阻三．实验内容和步骤本实验在九孔方板上进行，按图3—4接线使U1=25V，本实验选择C、D两端左侧为一端口含源网络。图3—4实验电路1．测量含源一端口网络的外部伏安特性：8调节一端口网络外接电阻RL的数值．使其分别为表3一l中的数值．测量通过RL的电流(X5和X6电流接口处电流表读数)和CD两端电压，将测量结果填入表3—1中．其中RL=0时的电流称为短路电流。表3一l测量含源一端口网络的外部伏安特性RL(Ω)05101k1.5k2k2.5k开路I(mA)U(V)2验证戴维南定理(1)分别用直接测量法和补偿法测量C、D端口网络的开路电压UOC；(2)用补偿法(或直接测量法)所测得的开路电压UOC和步骤1中测得的短路电流(RL=0)ISC，计算C、D端入端等效电阻OCCDiSCURRI(3)按图3一l(b)构成戴维南等效电路，其中电压源用直流稳压电源代替，调节电源输出电压，使之等于UOC，Ri用电阻箱代替，在C、D端接入负载电阻RL，如图3-5所示。按表3一l中相同的电阻值，测取电流和电压，填入表3—2。图3—5戴维南定理的验证(4)将表3一l和表3-2中的数据进行比较，验证戴维南定理。表3－2验证戴维南定理RL(Ω)05101k1.5