电路分析实验箱--电路元件伏安特性的测量
一、实验目的
1、学会识别常用电路和元件的方法。
2、掌握线性电阻、非线性电阻元件及电压源和电流源的伏安特性的测试方法。
3、学会常用直流电工仪表和设备的使用方法。
二、实验原理
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(U)表示，即I-U平面上的一条曲线来表征，即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曲线所示，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，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”的阻值相差几倍至几十倍，所以它的伏安特性曲线如图1-1中b曲线所示。
3、一般的半导体二极管是一个非线性电阻元件，其伏安特性曲线如图1-1中c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剧上升，而反向电压从零一直增加到几十伏时，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。注意：流过稳压二极管的电流不能超过管子的极限值，否则管子会被烧坏。
图 1-1 各种电路元件的伏安特性曲线
三、实验设备
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序号 |
名称 |
型号与规格 |
数量 |
备注 |
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1 |
可调直流稳压电源 |
0～12V |
1 |
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2 |
万用表 |
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1 |
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3 |
直流数字毫安表 |
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1 |
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4 |
直流数字电压表 |
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1 |
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5 |
可调电位器或滑线变阻器 |
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1 |
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6 |
二极管 |
2CP15（或IN4007） |
1 |
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7 |
稳压管 |
2CW51 |
1 |
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8 |
白炽灯 |
6.3V |
1 |
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9 |
线性电阻 |
1KΩ/1W |
1 |
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四、实验内容
1、测定线性电阻器的伏安特性
按图1-2接线，调节稳压电源的输出电压U，从0伏开始缓慢地增加，一直到10V，记下相应的电压表和电流表的读数U
R、I。
图1-2
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UR(V) |
0 |
3 |
4 |
5 |
7 |
8 |
10 |
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I(mA) |
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※2、测定非线性白炽灯泡的伏安特性
将图1-2中的RL换成一只6.3V的汽车灯泡，重复1的步骤。
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UR(V) |
0 |
3 |
4 |
5 |
7 |
8 |
10 |
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I(mA) |
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3、测定半导体二极管的伏安特性
按图1-3接线，R为限流电阻器。测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过5mA，二极管D的正向施压UD+可在0～0.75V之间取值，特别是在0.5～0.75V之间更应多取几个测量点。做反向特性实验时，只需将图1-3中的二极管D反接，且其反向施压UD－可加到30V。
图1-3
正向特性实验数据
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UD+(V) |
0.10 |
0.30 |
0.50 |
0.55 |
0.60 |
0.65 |
0.70 |
0.75 |
|
I (mA) |
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反向特性实验数据
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UD－(V) |
-3 |
－5 |
－10 |
－20 |
－30 |
－35 |
－40 |
|
I (mA) |
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※4、测定稳压二极管的伏安特性
只要将图1-3中的二极管换成稳压二极管，重复实验内容3的测量。测量点自定。
正向特性实验数据
反向特性实验数据
5、测定电压源伏安特性
图1-4
按图1-4连接电路图，调节U为5V，改变R
L的值，测量U和I的值。记入下表中：
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RL（Ω） |
100 |
200 |
300 |
500 |
600 |
700 |
800 |
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I(mA) |
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U(V) |
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6、测定电流源伏安特性
图1-5
按图1-5接好电路图，调节R
L的值，测出各种不同RL值时的I和U，记入表中：
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RL（Ω） |
100 |
200 |
300 |
500 |
600 |
700 |
800 |
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I(mA) |
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U(V) |
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六、实验注意事项
1、测二极管正向特性时，稳压电源输出应由小至大逐渐增加，应时刻注意电流表读数不得超过15mA。
2、进行不同实验时，应先估算电压和电流值，合理选择仪表的量程，切勿使仪表超量程，仪表的极性亦不可接错。
七、思考题
1、线性电阻与非线性电阻的概念是什么？电阻器与二极管的伏安特性有何区别？
2、设某器件伏安特性曲线的函数式为I = f(U)，试问在逐点绘制曲线时，其坐标变量应如何放置？
3、在图1-3中，设U=3V，U
D+ = 0.7V，则毫安表（mA）表读数为多少？
4、稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何？
八、实验报告
1、根据各实验数据，分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。（其中二极管和稳压管的正、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）。
2、根据实验结果，总结、归纳各被测元件的特性。
3、必要的误差分析。
