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
  1. 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
  2. 学习测量电源外特性的方法
  3. 掌握运用伏安法判定电阻元件类型的方法
  4. 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

1. 1. 三相空气开关               1块              30121001
   2. 双路可调直流电源           1块              30121046
   3. 恒流源                     1块              30111113
   4. 直流电压电流表             1块              30111047
   5. 电阻                       3              51W*1 100W *1  1kW*1
   6. 电阻
   7. 白炽灯泡                   1只              12V/0.1A
   8. 灯座                       1只              M=9.3mm
   9. 稳压二极管                 1只
   10. 发光二极管                 1只
   11. 短接桥和连接导线            若干              P8-1和50148
   12. 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
  1. 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。
  2. 使用测量仪表前，应注意对量程和功能的正确选择。
  3. 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？

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实验数据（仅供参考）