电路元件的伏安特性.

实验一电路元件的伏安特性一、实验目的：1、研究电阻元件和直流电源的伏安特性及其测定方法。2、学习直流仪表设备的使用方法。二、原理及说明：1、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（伏安表法）。伏安表法原理简单，测量方便，同时使用于非线性元件伏安特性的测定。2、理想电压源的端电压US(t)是确定的时间函数，而与流过电源的电流大小无关。如果US(t)不随时间变化（即为常数），则该电压称为理想直流电压源US(t)，其伏安特性曲线如图1-1中曲线a所示，实际电压源的特性曲线如图1-1中曲线b所示，它可以用一个理想电压源US(t)和电阻RS相串联的电路模型来表示（图1-2）。显然RS越大，图1-1中的θ角也越大，其正切的绝对值代表实际电源的内阻RS。图1-1图1-23、理想电流源向负载提供的电流是确定的函数，与电源的端电压大小无关。如果IS(t)不随时间变化（即为常数），则该电流源称为理想直流电流源IS(t)，其伏安特性曲线如图1-3中曲线a所示，实际电流源的特性曲线如图1-1中曲线b所示，它可以用一个理想电流源IS和电导GS相并联的电路模型来表示（图1-4）。显然GS越大，图1-3中的θ角也越大，其正切的绝对值代表实际电源的内导GS。图1-3图1-44、电阻元件的特性可以用该元件两端的电压U与流过元件的电流I的关系来表征。即满足于欧姆定律：0Rs+Us_-+U_IIθbUsabGsIs-IU0θIS三a1IUR在U-I坐标平面上，线性电阻的特性曲线是一条通过原点的直线。三、实验内容及步骤：1、测理想电定流源的伏安特性图1-5调节直流电源是其输出电流Is=10(mA)，先将可调电阻R置零，按图1-5接线。逐次增加R的值，读取相应的电压值、电流值计入表1-1。表1—12、测定理想电压源的伏安特性图1-6其中R1=50Ω调节直流稳压源使其输出电压U=10（V），再将可调电阻R调至最大值，按图1-6接线。其中R1为限流电阻。逐次减小R的值，读取相应的电压值、电流值记入表1-2中。表1—2R（Ω）0100200300500700800U（V）I（mA）AV直流电流源RAV直流电流源RR123、测定实际电源的伏安特性图1-7其中：Rs=50ΩUs=10V按图1-7接线。实验中实际电源用一台直流稳压电源Us串联电阻Rs来模拟。接线前调稳压电源Us（V）=10（V）。改变R数值，记录相应的电压值与电流值于表1-3中。表1—34、测定线性电阻的伏安特性图1-8其中：R=100Ω按图1-8接线。改变直流稳压电源的电压Us，测定相应的电流值和电压值记录于表1-4中。表1—4Us（V）0246810R（Ω）900800700500300200100U（V）I（mA）R（Ω）900800700500300200100U（V）I（mA）Rs+Us_-AVRAV直流稳压电源R3I（mA）U（V）四、实验用设备仪器及材料：1、电路实验箱1个2、万用表1块3、直流电流表1块4、导线等。五、实验报告要求：根据测量数据，在坐标纸上按比例绘出伏安特性曲线。4实验二基尔霍夫定律和叠加原理一、实验目的：加深对基尔霍夫定律和叠加原理的内容和使用范围的理解。二、原理及说明：1、基尔霍夫定律是集总电路的基本定律。它包括电流定律和电压定律。基尔霍夫电流定律：在集总电路中，任何时刻，对任意一个节点，所有支路电流的代数和恒等于零。即ΣI=0。基尔霍夫电压定律：在集总电路中，任何时刻，沿任意一个回路内所有支路或元件电压的代数和恒等于零。即ΣU=0。2、叠加原理是线性电路的一个重要定理。如果把独立电源称为激励，由它引起的支路电压、电流称为响应则叠加原理可简述为：在任意线性网络中，多个激励同时作用时，总的响应等于每个激励单独作用时引起的响应之和。三、实验方法及步骤：1、验证基尔霍夫定律按图2-1接线，其中A1、A2、A3是电流插孔，K1、K2是双刀双掷开关。先将K1、K2合向短路线一边，调节稳压电源，使Us1=10V，Us2=8V,再把K1，K2合向电源一边。测得各支路电流、电压，将数据记录于表2-1中。2、验证叠加原理按图2-1接线，首先K2掷向短路线一边，K1掷向电源一边，测量各电流、电压记录于表2-2中。首先K1掷向短路线一边，K2掷向电源一边，测量各电流、电压记录于表2-2中。两电源共同作用时的数据在实验内容1中取。图1-3图2-1表2—11R=200R2=1003R=300图2——13II21Ic1R2R3RUs2=8Va2k1kdUs1=10VbA1A2A351I(mA)2I(mA)3I(mA)验证0I节点b验证U=0UUabUbcUbdUbdUcd回路abcda回路abda表2—21I(mA)2I(mA)3I(mA)Uab（Ｖ）Ubc（Ｖ）Ubd（Ｖ）ＵS1单独作用ＵS2单独作用ＵS1ＵS2共同作用验证叠加原理四、实验用设备仪器及材料1、电路实验箱1个2、万用表1块3、直流电流表1块4、导线等6实验三戴维南定理及功率传输最大条件的研究一、实验目的1、用实验方法验证戴维南定理的正确性。2、学习线性含源一口网络等效电路参数的测量方法。3、验证功率传输最大条件。二、原理简述1、戴维南定理指出，任何一个线性含源一端口网络，对外部电路而言，总可用一个理想电压源和电阻串连的有源支路来代替，如图3-3所示，其理想电压源的电压等于原网络断口的开路电压Uoc，其电阻等于原网络中所有独立电源为零值时的如端等效电阻Ri。图3-12、对于已知的线性含源一端口网络，其入端等效内阻Ri可以从原网络计算得出，也可以通过实验手段测出。下面介绍三种测量方法：（1）由戴维南定理和诺顿定理可知Ri=SCOCiU注意：对不许将外部电路直接短路的网络（例如有可能因短路电流过大而损坏网络内部器件市）不能采取此法。（2）测出含源一端口网络的开路电压Uoc以后，在端口处接一负载电流RL，然后再测出负载电阻的端电压URL，因LLiOCRLRRRUU则入端等效电阻为LRLOCiRUUR1+U_+U_IRiU0c-+RL含源一端口网络abICAUab7（3）令有源一端口网络中的所有独立电源置零，然后在端口处加一给定电压U’，测得流入端口的电流I'（如图2-3所示），则图3-2''IURi2、一个含有内阻Ri的电源给RL供电，其功率为LiLLRRRERIP202为求得RL从电源中获得最大功率的最佳值，我们可以将功率P对RL求导，并令其导数等于零0220422202ERRRRERRRRRRRdRdPLiLiLiLLiLiL于是解得RL=Ri则得到最大功率：iLLiRERRREP420220max由此可知：负载电阻RL从电源中获得最大功率条件是—负载电阻RL等于电源内阻Ri。三、实验内容及步骤：1、测定线性含源一口网络的外特性（即伏安特性）U=f(I)。按图3-3接线，改变电阻RL值，测量对应的电流和电压值，参数填在表3-1内。根据测量结果，求出对应于戴维南电路等效参数Uoc,Isc。其中R1=200ΩR2=300Ω，R3=300Ω，Us=10V+U’_-I’Aa有源一端口网络bRL3R2R+U三1RU8图3-3表3—1RL0100200300500700800I(mA)U(V)2、求取Ri的方法及结果方法（1）（2）数据在内容1中取，方法（3）实验线路如图3—4其中U’=10V。图3-4（1）Ri=SCOCiU（2）Ri=1RLOCUU（3）Ri=''IU表3—21R2R+UABU’_-3RAab9方法123Ri（Ω）Ri的平值3、测得的等效参数构成戴维南等效电路（图3-5）测量其外特性U’=f（I’）。数据填在表3-3中。图3-5表3—34、最大功率传输条件的验证根据表格的数据计算并绘制功率随RL变化的曲线，即P=f（RH）。四、实验用设备仪器及材料：1、电路实验箱1个2、万用表1块3、直流电流表1块五、报告要求：在同一张坐标纸上做它们的外特性曲线，并分析。RL0100200300500700800RiI(mA)U(V)RiU0C-+RLabI10实验四单相交流电路及功率因数的提高一、实验目的1.通过RL串联电路掌握单相交流电路的电压、电流、复阻抗之间的相量关系，有效值关系。2.熟悉日光灯电路的组成，各元件的作用及日光灯的工作原理，学会日光灯电路的连接，了解线路故障的检查方法。3.掌握交流电路的电压、电流和功率的测量方法。4.练习并掌握感性负载提高功率因数的方法。二、原理说明镇流器是一个铁心线圈，其电感L比较大，而线圈本身具有电阻R1。日光灯在稳态工作时近似认为是一个阻性负载R2。镇流器和灯管串联后接在交流电路中，如图4-1所示，可以把这个电路等效为RL串联电路，如图4-2所示。图4-1日光灯电路图4-2日光灯等效电路根据图4-2和图4-3，相关计算如下：镇流器的等效复阻抗：IUZRLRL电感线圈的电阻：LRLZRcos1电感线圈的感抗：212RZXRLL电感线圈的电感：fXLL2日光灯等效电阻：IURR2电路消耗的有功率：cosUIP或)(212RRIP因镇流器本身的电感较大，故整个电路的功率因数较低，为了提高电路的功率因数，可以采用在日光灯两端并联电容的方法，见图4-2。图4-3RL串联电路相量图φ11并联电容后电路的总电流CIII（见图4-4）。由于电容的无功电流抵消了一部分日光灯电流中的感性无功分量，所以总电流将减小，电路的功率因数被提高。由于电源电压是固定的，并联电容器并不影响感性负载的工作状态，即日光灯支路的电流、功率和功率因数并不随并联电容的大小而改变，仅是电路的总电流及总功率因数发生变化。提高电路的功率因数能够减小供电线路的损耗及电压损失，提高电源设备的利用率而又不影响负载的工作。所以并联电容器提高电路的功率因数的方法被供电部门广泛采用。如果要将功率因数cosφ提高到cosφ＇，所并联电容的大小计算如下：UIPcosIUPcos)(2tgtgUPCφ——电路的功率因数角。φ＇——提高后的功率因数角。ω=2πf——电源的角频率。图4-4日光灯并联电容相量图三、实验设备四、实验内容1.按图4-5接好线路。注意功率表的接线和读数方法。序号名称型号与规格数量备注1交流电压表0～500V12交流电流表０～5A13功率表14自耦调压器15日光灯灯管30W16镇流器、启辉器与30W灯管配用各1HE-13A7电容器1μF,2.2μF,4.7μF/500V各1HE-13A8电流插座3122.经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220V，测量功率P，电流I，电源电压U，镇流器电压UL，灯管电压UA等值，把测得的数据填入表4-1中，验证电压、电流相量关系。表4-1测量数值计算值P(W)cosφI(A)U(V)UL(V)UA(V)r(Ω)cosφ启辉值正常工作值3.并联电路──电路功率因数的改善。按照图4-5电路并联不同值的电容，测量并记录功率表、电压表读数。通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流。数据记入表4-2中。表4-2电容值(μF)测量数值计算值P(W)cosφU(V)总电流I（A）负载电流IL(A)电容电流IC(A)I’(A)cosφ12.24.76.9五、实验注意事项1.本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。注意电源电压切勿接在380V电源上。2.功率表要正确接入电路。注意功率表的接线方法，分清电压线圈和电流线圈的端子，电压线圈要与被测电路并联，电流线圈要与被测电路串联，并且两个线圈的对应端子（同名端）应接在电源的同一点上。3.线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。4.交流电流表并不接入电路中，而是利用电流插头测试各支路电流，即其一端始终插在交流电流表上，另一端