实验2电路元件伏安特性的测绘及电源外特性的测量
- 实验目的
- 学习测量线性和非线性电阻元件伏安特性的方法，并绘制其特性曲线
- 学习测量电源外特性的方法
- 掌握运用伏安法判定电阻元件类型的方法
- 学习使用直流电压表、电流表，掌握电压、电流的测量方法
- 实验原理与说明
1.电阻元件的伏安特性
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I=f (V)来表示，即用I-V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). 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所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。
2). 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。
3). 发光二极管是一个非线性电阻元件，其特性如图1-1中c曲线。正向压降很小，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。
4). 稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性较特别，如图1-1中d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。
2.直流电压源
（1）直流电压源
理想的直流电压源输出固定幅值的电压，而它的输出电流大小取决于它所连接的外电路。因此它的外特性曲线是平行于电流轴的直线，如图1-2（a）中实线所示。
实际电压源的外特性曲线如图1-2（a）虚线所示，在线性工作区它可以用一个理想电压源Us和内电阻Rs相串联的电路模型来表示，如图1-2（b）所示。图1-2（a）中角θ越大，说明实际电压源内阻Rs值越大。实际电压源的电压U和电流I的关系式为：
（2）测量方法
将电压源与一可调负载电阻串联，改变负载电阻R2的阻值，测量出相应的电压源电流和端电压，便可以得到被测电压源的外特性。
3.直流电流源（DC current source）
（1）直流电流源
理想的直流电流源输出固定幅值的电流，而其端电压的大小取决于外电路，因此它的外特性曲线是平行于电压轴的直线，如图1-3（a）中实践所示。
实际电流源的外特性曲线如图1-3（a）中虚线所示。在线性工作区它可以用一个理想电流源Is和内电导Gs（Gs=1/Rs）相并联的电路模型来表示，如图1-3（b）所示。图1-3（a）中的角θ越大，说明实际电流源内电导Gs值越大。实际电流源的电流I和电压U的关系式为：
（2）测量方法
电流源外特性的测量与电压源的测量方法一样。
- 实验设备
名称 数量 型号
-
- 三相空气开关 1块 30121001
- 双路可调直流电源 1块 30121046
- 恒流源 1块 30111113
- 直流电压电流表 1块 30111047
- 电阻 3 51W*1 100W *1 1kW*1
- 电阻
- 白炽灯泡 1只 12V/0.1A
- 灯座 1只 M=9.3mm
- 稳压二极管 1只
- 发光二极管 1只
- 短接桥和连接导线 若干 P8-1和50148
- 实验用9孔插件方板 1块 300mm×298mm
- 实验步骤
表1-1 线性电阻元件实验数据
| U（v） |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
| I（mA） |
|||||||||||
| R=U/I （W） |
表1-2 非线性电阻元件实验数据
| U（V） |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
| I（mA） |
|||||||||||
| R=U/I（W） |
表1-3 发光二极管正向特性实验数据
| U（v） |
0 |
1.5 |
1.7 |
1.8 |
1.85 |
1.9 |
1.95 |
2.0 |
2.05 |
| US（v） |
|||||||||
| UR（v） |
|||||||||
| I（mA） |
|||||||||
| R发光二极管=U/I （W） |
表1-4 发光二极管反向特性实验数据
| U（v） |
0 |
-5 |
-10 |
-15 |
-20 |
| I（mA） |
|||||
| RD=U/I （W） |
表1-5 稳压二极管正向特性实验数据
| U（v） |
0 |
0.5 |
0.6 |
0.65 |
0.7 |
0.75 |
0.78 |
0.8 |
| US（v） |
||||||||
| UR（v） |
||||||||
| I（mA） |
||||||||
| R=U/I （W） |
表1-6 稳压二极管反向特性实验数据
| U（v） |
0 |
-5 |
-5.1 |
-5.2 |
-5.3 |
-5.4 |
-5.5 |
-5.6 |
-5.7 |
| US（v） |
|||||||||
| UR（v） |
|||||||||
| I（mA） |
|||||||||
| R=U/I （W） |
表1-7 电压源实验数据
| RL(Ω) |
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
∞ |
| U(V) |
|||||||
| I(mA) |
表1-8 实际电压源实验数据
| RL(Ω) |
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
∞ |
| U(V) |
|||||||
| I(mA) |
表1-9 电流源实验数据
| RL(Ω) |
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
| U(V) |
||||||
| I(mA) |
表1-10 实际电流源实验数据
| RL(Ω) |
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
∞ |
| U(V) |
|||||||
| I(mA) |
- 注意事项
- 电流表应串接在被测电流支路中，电压表应并接在被测电压两端，要注意直流仪表“+”、“－”端钮的接线，并选取适当的量限。
- 使用测量仪表前，应注意对量程和功能的正确选择。
- 直流稳压电源的输出端不能短路。
- 分析和讨论
根据各实验结果数据，分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。
1.线性电阻元件和白炽灯的伏安特性要求画在同一张图中, 比较线性电阻与白炽灯的伏安特性曲线，得出什么结论？
2.发光二极管与稳压管的正、反向特性均要求画在同一张，图中正、反向电压可取为不同的比例尺)
根据不同的伏安特性曲线的性质分别称它们为什么电阻？从伏安特性曲线看欧姆定律，它对哪些元件成立？哪些元件不成立？
3.直流电压源和实际直流电压源的伏安特性要求画在同一张图中, 比较直流电压源和实际直流电压源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？稳压电源串联电阻构成的电压源，它的输出电压与输出电流之间有什么关系？是否能写出伏安特性方程式？
4.直流电流源和实际直流电流源的伏安特性要求画在同一张图中,比较直流电流源和实际直流电流源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？
实验数据（仅供参考）
