电路元件伏安特性的测量

实验目的:

1. 掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的测量方法;

2. 掌握伏安测量法中测量样点的选择和绘制曲线的方法;

3. 学习直读式仪表和直流稳压电源等设备的使用方法。

实验原理、内容及步骤:

电路元件的特性一般可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流之间的函数关系I=f(U)来表示,即用I-U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。电阻元件是电路中最常见的元件,有线性电阻和非线性电阻之分。实际电路中很少是仅由电源和线性电阻构成的“电平移动”电路。而非线性器件却常常有着广泛的使用,例如非线性元件二极管具有单向导电性,可以把交流信号变换成直流量,在电路中起着整流作用。

万用表的欧姆挡只能在某一特定的U和I下测出对应的电阻值,因而不能测出非线性电阻的伏安特性。一般采用含源电路“在线”状态下测量元件的端电压对应的电流值,进而由公式R=U/I来求电阻值。

1. 线性电阻元件的伏安特性符合欧姆定律U=RI,其阻值不随电压或电流值的变化而变化,伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线,如图3-1(a)所示,该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。

2. 白炽灯可以视为一种电阻元件,其灯丝电阻随着温度的升高而增大,一般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”的阻值可以相差几倍,通过白炽灯的电流越大,其温度越高,阻值也越大,即对一组变换的电压值和对应的电流值,所得U/I不是一个常数,所以它的伏安特性是非线性的,如图3-1(b)所示。

3. 普通的半导体二极管也是一种非线性电阻元件,其伏安特性如图3-1(c)所示。二极管的电阻值随着电压或电流的大小,方向的改变而改变。它的正向压降很小(一般锗管约为0.2-0.3V,硅管约为0.5~0.7V),正向电流随正向压降升高而急剧上升,而反向电压从零一直增加到十几至几十伏时,其反向电流增加很小,粗略地可视为零。发光二极管正向电压在0.5-五、V之间时,正向电流有很大变化。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。

4. 稳压二极管是一种特殊的半导体二极管,其正向特性与普通的二极管类似,但其反向特性较特殊,如图3-1(d)所示。给稳压二极管加反向电压时,其反向电流几乎为零,但当电压增加到某一数值时,电流将突然增加,以后它的端电压将维持恒定,不再随外加反向电压的升高而增大,这便是稳压二极管的反向稳压特性。实际电路中,可以利用不同稳压值的稳压管来实现稳压。

图3-1  线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线

绘制伏安特性曲线通常采用逐点测试法,电阻元件在不同的端电压U作用下,测量出相应的电流I,然后逐点绘制出伏安特性曲线I=f(U),根据伏安特性曲线便可计算出电阻元件的阻值。

三、 实验内容与步骤

1. 测量线性电阻的伏安特性

(1)按照图3-2所示电路,在“线性电路研究模块”实验板上选取元件,结合实验箱提供的直流稳压电源,搭建实验电路(搭建电路时应先关闭实验箱电源)

(2)搭建电路时,先不接直流稳压电源。图3-2中,用2R5代替限流电阻R,2R12为电阻R1,电流表正极与2P09相连,负极与电阻2R12的2P41相连,使电流表串联到电路中,2R12的另一端2P40与地(GND)相连,电压表与2R12并联接入电路。

(3)信号源模块上的+5V电压与直流稳压电源输入P02相连,调节稳压源左侧电位器W3可调节稳压电源输出的大小,顺时针调到底稳压源输出最小(+5V左右),逆时针调到底电压最大(最大为+35V左右),我们将该电压调到最小(顺时针调到底)。

(4)打开实验箱电源,用直流电压表测量稳压源输出P03是否为5V左右,然后将稳压源输出接入图3-2电路。即P03与2P07相连。

(5)慢慢调节稳压电源的输出电压U,从5V开始慢慢增加,不得超过10V(电压太大有可能烧坏电路中的电阻元件)。在表3-1中记下相应的电压表和电流表的读数。

(6)由公式U1/I 计算出电阻值R′的值,并计入表3-1中,比较与实际测量值是否相同。

UV

5

6

7

8

9

10

U 1(V))

5.01

6.02

7.11

8.00

9.00

10,0

I(mA)

0.03

0.04

0.046

0.05

0.66

0.067

R1(KΩ)=

151

151

155

155

156

150

图3-2  元件伏安特性的测量、

表3-1  测量线性电阻的伏安特性

UV

5

6

7

8

9

10

U 1(V))

5.01

6.02

7.11

8.00

9.00

10,0

I(mA)

0.03

0.04

0.046

0.05

0.66

0.067

R1(KΩ)=

151

151

155

155

156

150

2.测量半导体二极管的伏安特性

1 关闭实验箱电源,按图3-2,将电阻R1换成半导体二极管2D1,先测二极管的正向特性,即2D1的正极2P26与电流表负极相连,2D1负极2P25与地(GND)相连,正向压降可在00.75V之间取值。由于本实验箱可调稳压源其输出范围在5~35V之间,而该实验需要的电压范围在00.75V之间,所以要对稳压源进行分压后再接入实验电路。使用本模块上的电位器2W1来实现分压。具体方法是:将信号源模块上的+5V接到稳压源的输入P02,稳压源输出P03接电位器2W12P462P44接地(GND),电位器中心抽头2P45为分压输出接2P072P09接电流表正极,首先调整W3使稳压源输出为最小(W3顺时针调到底),这样调整2W1可以使分压输出在00.75V

以上连线接好后,接通电源,按表3-2给出的UZ+调节2W1,将测出的电流记入表3-2中,正向电流不得超过25mA,表中UZ+ 为二极管两端电压。

表3-2  二极管正向特性的测量

UZ+V

0

0.4

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.68

0.70

0.72

0.75

I(mA)

0

0.2

0.2

0.2

0.4

0.7

0.7

0.8

0.8

0.8

0..9

(2)作反向特性实验时,需将二极管2D1反接,其反向电压可在5-20V之间取值,此时不用分压,直接由稳压源提供。所测数据计入表3-3中,反向电压不要超过20V,否则容易使二极管烧坏。

表3-3  二极管反向特性的测量

UZ-V

5

10

15

20

I(mA)

0

0

0

0

3. 测量稳压二极管的伏安特性

(1)将图3-2中的半导体二极管2D1换成稳压二极管2D2,重复上述步骤2中的正向测量。UZ+ 为稳压二极管的正向施压,所测数据记入表3-4中;

(2)作反向特性实验时,需将稳压二极管反接,稳压电源的输出电压U1-10V缓慢增加(1-5V电压需经电位器分压,实验步骤2中已有说明),测量稳压二极管的反向施压UZ- 及电流I,由UZ- 可看出其稳压特性,所测数据记入表3-5中。

表3-4  稳压管正向特性的测量

UZ+V

0

0.2

0.3

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

I(mA)

0

0.8

0.6

0.6

0.6

0.8

0.8

0.6

0.5

0.4

0.3

表3-5  稳压管反向特性的测量

UV

5

8

10

15

18

20

UzV

5

9

9

15

18

20

I(mA)

1

1

1

1

1

1

四、 实验要求与注意事项

1. 测量时,可调直流稳压电源的输出电压由0缓慢逐渐增加,应时刻注意电压表和电流表,不能超过规定值。

2. 直流稳压电源输出端切勿碰线短路。

3. 测量中,随时注意电流表读数,及时更换电流表量程,勿使仪表超量程,注意仪表的正负极性。

五、 实验仪器与设备

万用表                                              一台

电路原理实验箱                                      一台

双踪示波器                                          一

总结及心得体会

正确掌握交流数字仪表(电压表、电流表、功率和自耦调压器的用法。加深对交流电路元件特性的了解。掌握交流电路元件参数的实验测定方法。般电感线圈存在较大电阻,不可忽略,故可用一理想电感和理想电阻的串联作为电路模型

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