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实验一电路元件的伏安特性测试(共5页)
实验一 电路元件的伏安特性测试
实验目的
了解线性电阻与非线性电阻伏安特性的差别。
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。掌握交直流稳压电源、台式数字万用表的使用方法练习实验曲线的绘制。任何一个二端元件的特性可用该元件上的端电压与通过该元件的电流之间的函数关系来表示,即用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。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中a)曲线所示,该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。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,如图中曲线。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,其特性如图中曲线。正向压降很小一般的锗管约为02~03V,硅管约为05~07V),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。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来表示,将此关系绘制成平面上的一条曲线,该器件的“伏安关系曲线”(或称外特性曲线)。图1.为某一电源的外特性曲线。其特点是:在段随着电流的增加,端电压直线下降,过了以后,电压急剧下降。
图1. 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范围内,此电压伏安关系特性用数学公式表示为一直线,即:
(1)
该电源器件在0~段工作时的电路模型如图1.b,即为电压源与电阻的串联组合。为电压源电压,为内阻,显然由该直线对轴的斜率来确定。
(a) (b)
图1. 电源器件的电压源、电阻串联电路模型
如果工作于范围,图1.中段不是直线,而是弯曲的,若仍用图1.b的电路模型,则不是常数,即内阻随着输出电流而改变。
如果工作于大电流,即范围,图1.中的段可近似看作一直线,此段直线的数学表示式可写为:
(2)
在范围内,该电源器件的电路模型如图1.b所示,即为电流源与电导并联组合电流源电流为,显然之值由直线与纵轴的夹角的正切确定。
(a) (b)
图1. 电源器件的电源、电导并联电路模型
时的电源器件称为“恒压源”(即理想电压源),其特性曲线与横轴平行。(即)的电源器件称为“恒流源”(即理想电流源),其特性曲线与纵轴平行。可见,同一电源器件,不同的工作范围,所用的电路模型不同。
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. 电源器件的电源、电导并联电路模型
表1.1
U 6 8 10 12 14 16 18 20 22 I(mA) U/I
2. 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.U(V) 1 2 4 6 8 10 12 I(mA) U/I
3. 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
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