实验一 电路元件的伏安特性测试(共5页)

一、 实验目的

1． 了解线性电阻与非线性电阻伏安特性的差别。

2． 掌握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。 3． 掌握交直流稳压电源、台式数字万用表的使用方法。 4． 练习实验曲线的绘制。 二、实验原理简述

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uf(i)来表示，即用ui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．无源器件 （1）线性电阻器是理想元件，在任何时刻它两端的电压与其电流的关系服从欧姆定律。 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）曲线所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。在一定的条件下，金属膜电阻器、绕线电阻器等的伏安特性近似为一直线。

（2）非线性电阻器元件的伏安特性不是一条直线，它在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1.1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1.1中（c）曲线所示。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1.1中（d）曲线所示。正向压降很小（一般的锗管约为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

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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。

2．有源器件

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Uf(I)来表示，将此关系绘制成UI平面上的一条曲线，即为该器件的“伏安关系曲线”（或称外特性曲线）。图1.2为某一电源的外特性曲线。其特点是：在0~IA段随着电流的增加，端电压直线下降，过了IA以后，电压急剧下降。

图1.2 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0~IA范围内，此电压伏安关系特性用数学公式表示为一直线，即：

UUsRsI （1）

该电源器件在０～IA段工作时的电路模型如图1.3b，即为电压源与电阻的串联组合。US为电压源电压，RS为内阻，显然RS由该直线对I轴的斜率来确定。

（a） （b）

图1.3 电源器件的电压源、电阻串联电路模型

如果工作于IA~IB范围，图1.2中AB段不是直线，而是弯曲的，若仍用图1.3b的电路模型，则RS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IB~Is范围，图1.2中的BIS段可近似看作一直线，此段直线

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的数学表示式可写为：

IISGSU （2）

在IB~IS范围内，该电源器件的电路模型如图1.4b所示，即为电流源与电导并联组合电流源电流为GS，显然GS之值由直线BIS与纵轴U的夹角的正切确定。

（a） （b）

图1.4 电源器件的电流源、电导并联电路模型

RS0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I平行。GS0（即RS）的电源器件称为“恒流源”（即理想电流源），其特性曲线与纵轴U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。

三、实验仪器设备及元器件

1． 直流稳压电源

2． 直流毫安表 3． 万用表

4． 电阻元件、钨丝白炽灯、半导体二极管 四、预习及思考

1． 预习关于电阻元件伏安特性关系、电压源与电流源的外特性等内容。 2． 对实验电路的理论值进行分析与计算。 五、实验内容与要求

1． 线性电阻的伏安特性

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1.5 电源器件的电流源、电导并联电路模型

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表1.1

U（V） I（mA） U/I 6 8 10 12 14 16 18 20 22 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1.2

U（V） I（mA） U/I 1 2 4 6 8 10 12

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大小。其正向电流不得超过25\\mA，二极管的正向压降可在0~0.75V之

间取值。将测量数据填入表1.3中。 图1.6 二极管伏安特性测量电路

表1.3

U（V） 0 0.20 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 I（mA） （2）二极管的反向特性。将图1.6中的二极管反接，测量不同电压情况下的电流大小，其

反向电压最大可加到30V，将数据填入表1.4中。

表1.4

U（V） I（mA） 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 4. 测量电源的外特性

（1）测量理想电压源和实际电压源的外特性。按图1.7（a）接线，完成表1.5的测量内容。

图1.7 电源的外特性测量电路

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表1.5

RL（Ω） I（mA） RS=0 U（V） I（mA） RS=100Ω 0 100 200 300 510 1000 2000 5100 ∞ U（V） （2）测量理想电流源和实际电流源的外特性。按图1.7（b）接线，完成表1.5的测量内容。

表1.6

RL（Ω） I（mA） RS=∞ U（V） I（mA） RS=1KΩ U（V） 0 100 200 300 510 1000 2000 5100 ∞ 根据表1.5和表1.6的数据，在坐标纸上作出各自的伏安特性曲线。 六、实验注意事项

1． 测量二极管正向特性时，直流稳压电源的输出电压应由小到大逐渐增加，应注意电

流表读数不得超过25mA，直流电源的输出端切勿短路。还要注意各器件连接时的极性。 2． 进行实验时，应先估算电压和电流值，合理选择仪表的量程，同时还要注意表的极性不可接错。

七、实验总结及思考

1． 根据实验得到的数据，分别在坐标纸上绘出光滑的伏安特性曲线，特别注意二极管的正反向特性均要求画在同一个坐标系下（正反向电压可取不同的比例尺）。

2． 根据实验结果，总结、归纳被测各元件的特性。从伏安特性曲线看，欧姆定律对哪些元件成立，哪些元件不成立？

3． 比较理想电源和实际电源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？稳压串联电阻构成的电压源，它的输出电压和输出电流之间有什么关系？ 电流源呢？

4． 进行必要的误差分析，谈谈实验的心得体会及其他。

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