实验六非线性伏安特性曲线的研究.docx
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实验六非线性伏安特性曲线的研究
实验六非线性伏安特性曲线的研究
【实验目的】
1、熟悉电学基本仪器使用方法,电路的连接,仪器的选择;
2、通过电阻元件、半导体二极管、钨丝灯泡等电学元件的伏安特性测量。
学会合理配接电压表和电流表,才能使测量误差最小,初步学习实验方案设计。
3、掌握电子元件非线性特点,熟悉掌握电子元件伏安特性的测试技巧;
4、学会用作图法处理实验数据。
【实验仪器】
DH6102型伏安特性实验仪
【实验原理】
当一个元件两端加上电压,元件内有电流通过时,若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例,则伏安特性曲线为一条直线,这类元件称为线性元件。
若元件两端的电压与通过它的电流不成比例,则伏安特性曲线不再是直线,而是一条曲线,这类元件称为非线性元件。
根据欧姆定律,电阻R、电压U、电流I,有如下关系:
(3-6-1)
由电压表和电流表的示值U和I计算可得到待测元件Rx的阻值。
但非线性元件的R是一个变量,因此分析它的阻值必须指出其工作电压(或电流)。
非线性元件的电阻有两种方法表示,一种称为静态电阻(或称为直流电阻),用
表示;另一种称为动态电阻用
表示,它等于工作点附近的电压改变量与电流改变量之比。
动态电阻可通过伏安曲线求出,如图3所示,图中Q点的静态电阻
动态电阻
。
图3-6-1非线性元件的伏安特性曲线
测量伏安特性时,受电压表、电流表内阻接入影响会引入一定的系统误差,通常采用图七所示的两种线路。
图5(a)为电流表的内接法,图5(b)为电流表的外接法。
A
RR
AA
V
VV
(a)内接法(b)外接法
图3-6-2测电阻的线路
但是,由于电表有内阻,无论采用内接法还是外接法,均会给测量带来系统误差。
当R>
时,用内接法系统误差小。
当R<
时,用外接法系统误差小。
当R=
时,两种接法可任意选用。
因此,通常只在对电阻值的测量精确度要求不高时,才使用伏安法,并且还要根据电表的内阻RA、RV和待测电阻值的大小来合理选择测量线路。
测定元件的伏安特性曲线与测量元件的电阻一样,也存在着用电流表内接还是外接的问题,我们也应根据待测元件电阻的大小,适当地选择电表和接法,减小系统误差,使测出的伏安特性曲线尽可能符合实际。
1、半导体二极管
半导体二极管是一种常用的非线性元件,由P型、N型半导体材料制成PN结,经欧姆接触引出电极,封装而成。
在电路中用图3-6-3(a)符号表示,两个电极分别为正极、负极。
二极管的主要特点是单向导电性,其伏安特性曲线如图3-6-3(b)所示,其特点是:
在正向电流和反向电压较小时,电流较小,当正向电压加大到某一数值UD时,正向电流明显增大,将此段直线反向延长与横轴向交,交点UD称为正向导通阈值电压。
正向导通后,锗管的正向电压降为0.2-0.3V,硅管为0.6-0.8V。
在反向电压较大时,电流趋近极限值-Is,Is为反向饱和电流;在反向电压超过某一数值-Ub时,电流急剧增大,这种情况称为击穿,Ub为击穿电压。
图3-6-3(b)图3-6-4(b)
图3-6-3,图3-6-4普通二极管和稳压二极管的符号(a)和伏安特性(b)
二极管的主要参数:
最大整流电流If,即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流;最大反向电压Ub,一般为反向击穿电压的一半;反向电流Ir是反向饱和电流的额定值。
由于二极管具有单向导电性,它在电子电路中得到了广泛应用,常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。
2、稳压二极管
稳压二极管是一种特殊的硅二极管,表示符号如图5(a);其伏安特性曲线如图5(b),在反向击穿区一个很宽的电流区间,伏安曲线徒直,此直线反向与横轴相交于Uw。
与一般二极管不同,普通二极管击穿后电流急剧增大,电流超过极限值-Is,二极管被烧毁。
稳压二极管的反向击穿是可逆的,去掉反向电压,稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许范围,稳压管同样会因热击穿而烧毁。
故正常工作时要根据稳压二极管的允许工作电流来设定其工作电流。
稳压管常用在稳压、恒流等电路中。
稳压管的主要参数:
稳定电压Uw、动态电阻rD(rD越小,稳压性能越好)、最小稳压电流Imin、最大稳压电流Imax、最大耗散功率Pmax。
2CW56属硅半导体稳压二极管,其正向伏安特性类似于1N4007型二极管,其反向特性变化甚大。
当2CW56二端电压反向偏置,其电阻值很大,反向电流极小,据手册资料称其值≤0.5
。
随着反向偏置电压的进一步增加,大约到7-8.8V时,出现了反向击穿(有意掺杂而成),产生雪崩效应,其电流迅速增加,电压稍许变化,将引起电流巨大变化。
只要在线路中,对“雪崩”产生的电流进行有效的限流措施,其电流有小许一些变化,二极管二端电压仍然是稳定的(变化很小)。
这就是稳压二极管的使用基础,
3、钨丝灯特性描述
实验仪用灯泡中钨丝和家用白织灯泡中钨丝同属一种材料,但丝的粗细和长短不同,就做成了不同规格的灯泡。
只要控制好两端电压,使用就是安全的,金属钨的电阻温度系数为48×10-4/℃,系正温度系数,当灯泡两端施加电压后,钨丝上就有电流流过,产生功耗,灯丝温度上升,致使灯泡电阻增加。
灯泡不加电时电阻称为冷态电阻。
施加额定电压时测得的电阻称为热态电阻。
由于正温度系数的关系,冷态电阻小于热态电阻。
在一定的电流范围内,电压和电流的关系为:
6-1
式中U—灯泡二端电压,
I—灯泡流过的电流,
K—与灯泡有关的常数
N—与灯泡有关的常数
为了求得常数K和n,可以通过二次测量所得U1、I1和U2、I2,得到:
6-2
6-3
将4-2除以4-3式可得
6-4
将4-4式代入4-2式可以得到:
6-5
【实验内容】
仪器介绍
3
本实验仪由直流稳压电源、可变电阻器、电流表、电压表及被测元件等五部分组成,电压表和电流表采用四位半数显表头如图
直流稳压电源
输出电压:
0~15V,负载电流:
0~0.2A;输出电压可调节,粗调、细调配合使用
可变电阻箱结构
1.电路结构
可变电阻箱由(0~10)×1000Ω,(0~10)×100Ω和(0~10)×10Ω三位可变电阻开关盘构成,在电路原理图如下图1
图1变阻器电路结构图
2.技术指标
1)电阻变化范围:
0~11100Ω,最小步进10Ω;精度:
1%
2)电阻的功耗值:
×1000Ω,0.5W;×100Ω,1W;×10Ω,5W。
3.作用
1)作变阻器用;
2)构成变阻输入式分压箱,分压工作电流可变。
数字电表参数
表1:
电压量程和对应的电压表内阻值
电压表量程
2V
20V
电压表内阻
1MΩ
10MΩ
测量精度
0.2%
0.2%
表2:
电流表量程及所对应内阻
电流表量程
2mA
20mA
200mA
电流表内阻
100Ω
10Ω
1Ω
测量精度
0.5%
0.5%
0.5%
电子元件参数
1)二极管,最高反向峰值电压13V,正向最大电流≤0.2A(正向压降0.8V)
2)稳压管2CW56:
稳定电压7-8.8V,最大工作电流27mA,工作电流5mA时动态电阻为15Ω,正向压降≤1V。
3)钨丝灯泡:
冷态电阻为10Ω左右(室温下),12V0.1A时热态电阻80Ω左右,安全电压≤13V。
【实验内容及步骤】
1、二极管特性测试电路
测量之前,先记录所用晶体管的型号和主要参数(即最大正向电流和最大反向电压),再判别晶体管的正、负极。
1)反向特性测试电路
二极管的反向电阻值很大,采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。
测试电路如下图,变阻器设置700Ω
图2-3二极管反向特性测试电路
2)正向特性测试电路
二极管在正向导道时,呈现的电阻值较小,拟采用电流表外接测试电路。
电源电压在0~10V内调节,变阻器开始设置700
,调节电源电压,以得到所需电流值。
图2-4二极管正向特性测试电路
注:
1)、电阻修正值按电流表外接修正公式1-3式计算所得。
2)、实验时二极管正向电流不得超过20mA。
2、稳压二极管特性测试电路
2CW56反向偏置0~7V左右时阻抗很大,拟采用电流表内接测试电路为宜;反向偏置电压进入击穿段,稳压二极管内阻较小(估计为R=
=1K
),这时拟采用电流表外
接测试电路。
测试电路如图3-2
图3-2稳压二极管反向伏安特性测试电路
电源电压调至零,按图3-2接线,开始按电流表内接法,将电压表+端接于电流表+端;变阻器旋到1100
后,慢慢地增加电源电压,记下电压表对应数据。
当观察到电流开始增加,并有迅速加快表现时,说明2CW56已开始进入反向击穿过程,这时将电流表改为外接式,按表3-1继续慢慢地将电源电压增加至10V。
为了继续增加2CW56工作电流,可以逐步地减少变阻器电阻,为了得到整数电流值,可以辅助微调电源电压。
测反向击穿特性(稳压特性),实验数据不能少于10个,测出反向电流达10mA时稳压二极管的反向击穿电压(稳定电压)。
并用伏安法求出稳压二极管的动态电阻,说明动态电阻的大小对稳压特性的影响。
在作图纸上描出反向伏安特性曲线。
3、钨丝灯伏安特性的测试
灯泡电阻在端电压12V范围内,大约为几欧到一百多欧姆,电压表在20V档内阻为1MΩ,远大于灯泡电阻,而电流表在200mA档时内阻为10
或1
(因万用表不同而不同),和灯泡电阻相比,小的不多,宜采用电流表外接法测量,电路图见4-1。
变阻器置100
,按表4-1规定的过程,逐步增加电源电压,记下相应的电流表数据。
图4-1钨丝灯泡伏安特性测试电路
【注意事项】
1.测半导体二极管的正向伏安特性时,毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值。
2.测半导体二极管反向伏安特性时,加在半导体管上的电压不得超过管子允许的最大反向电压。
此实验选用的半导体二极管IN4007的最大反向电压比较高,所以半导体二极管所加反向电压比较低时反向电流读数接近零。
实验时,如果违反上述任一条规定,都将会损坏半导体二极管。
3.电源不能短路。
4.数字电流表为三挡测量量程,各量程的内阻不同,在做实验时选好量程,尽量不要换量程,各挡的内阻详见其使用说明书。
【数据记录及处理】
1、二极管数据记录格式见表3-6-1,3-6-2
表3-6-1反向伏安曲线测试数据表
U(V)
I(
)
电阻计算值(
)
表3-6-2正向伏安曲线测试数据表
正向伏安曲线测试数据I(
)
U(V)
电阻直算值(
)
电阻修正值(
)
2、稳压管
表3-6-32CW56硅稳压二极管反向伏安特性测试数据表
电流表接法
数据
U(V)
I(
)
I(mA)
U(V)
将上述数据在坐标纸上画出2CW56伏安曲线,
表3-6-4钨丝灯泡伏安特性测试数据表
灯泡电压V(V)
灯泡电流A(mA)
灯泡电阻计算值(
)
由实验数据在坐标纸上画出钨丝灯泡的伏安特性曲线,并将电阻直算值也标注在坐标图上。
选择二对数据(如U1=2V,U2=8V,及相应的I1、I2),按4-4和4-5式计算出K、n两系数值。
由此写出4-1式,并进行多点验证。
2.计算百分百误差,分析实验结果。
【思考题】
1)、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大,其物理原理是什么?
2)、在制定表2-2时,考虑到二极管正向特性严重非线性,电阻值变化范围很大,在表2-2中加一项“电阻修正值”栏,与电阻直算值比较,讨论其误差产生过程。
3)在测试稳压二极管反向伏安特性时,为什么会分二段分别采用电流表内接电路和外接电路?
4)稳压二极管的限流电阻值如何确定?
(提示:
根据要求的稳压二极管动态内阻确定工作电流,由工作电流再计算限流电阻大小)
5)选择工作电流为8mA,供电电压10V时,限流电阻大小是多少?
供电电压为12V时,限流电阻又多大?
6)试从钨丝灯泡的伏安特性曲线解释为什么在开灯的时候容易烧坏?
7)什么是静态电阻和动态电阻,说明二者区别?
8)PN结正向伏安特性曲线的函数形式可能是什么类型?
写出其标准形式。
从实验数据求出二极管(PN结)I-U关系的经验公式。
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