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线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律。
可表示为:
U=IR,其中R为常量,它不随其电压或电流改变而改变,其伏安特性曲线是一条过坐标原点的直线,具有双向性。
如图19-1(a)所示。
(3)非线性电阻元件
非线性电阻元件不遵循欧姆定律,它的阻值R随着其电压或电流的改变而改变,其伏安特性是一条过坐标原点的曲线,如图19-1(b)所示。
(4)测量方法
在被测电阻元件上施加不同极性和幅值的电压,测量出流过该元件中的电流;
或在被测电阻元件中通入不同方向和幅值的电流,测量该元件两端的电压,便得到被测电阻元件的伏安特性。
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19-2(a)中实线所示。
实际电压源的外特性曲线如图19-2(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19-2(b)所示。
图19-2(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:
(19-1)
(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
(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19-3(a)中实线所示。
实际电流源的外特性曲线如图19-3(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19-3(b)所示。
图19-3(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:
(19-2)
电流源外特性的测量与电压源的测量方法一样。
四、实验步骤
1.测量线性电阻元件的伏安特性
(1)按图19-4接线,取RL=47,Us用直流稳压电源,先将稳压电源输出电压旋钮置于零位。
(2)调节稳压电源输出电压旋钮,使电压Us分别为0V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V,并测量对应的电流值和负载RL两端电压U,数据记入表1。
然后断开电源,稳压电源输出电压旋钮置于零位。
(3)根据测得的数据,在下面坐标平面上绘制出RL=47电阻的伏安特性曲线。
表1线性电阻元件实验数据
Us(v)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I(mA)
U(v)
R=U/I()
2.测量非线性电阻元件的伏安特性(钨丝灯电阻伏安特性测量)
通过本实验了解钨丝灯电阻随施加电压增加而增加的特性,并了解钨丝灯的使用情况。
实验仪用灯泡中钨丝和家用白炽灯泡中钨丝同属一种材料,但丝的粗细和长短不同。
本实验的钨丝灯泡规格为12V0.1A。
金属钨的电阻温度系数为4.8×
10-3/℃,为正温度系数,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。
由于钨丝点亮时温度很高,超过额定电压时,会烧断,所以使用时不能超过额定电压。
在一定的电流范围内,电压和电流的关系为:
(19-3)
式中U—灯泡二端电压,I—灯泡流过的电流,K,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:
(19-4)
(19-5)
将式(19-4)除以式(19-5)式可得
(19-6)
将式(19-6)式代入式(19-4)式可以得到:
(19-7)
注意:
一定要控制好钨丝灯泡的两端电压!
严禁超过额定电压!
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,小得不多,宜采用电流表外接法测量,电路图见图19-5。
接线前应确认电压源的输出已经调到最小!
按表2规定的过程,逐步增加电源电压,注意不要超过12V!
记录相应的电流表数据。
表2钨丝灯泡伏安特性测试数据
灯泡电压V(V)
11
12
灯泡电流A(mA)
灯泡电阻计算值(
)
在坐标纸上画出钨丝灯泡的伏安特性曲线,并将电阻计算值也标注在坐标图上。
选择二对数据,按式(19-6)和式(19-7)式计算出K、n两个数值。
由此写出式(19-3)式,并进行多点验证。
3.测量直流电压源的伏安特性
(1)按图19-6接线,将直流稳压电源视作直流电压源,取R=100。
(2)稳压电源的输出电压调节为Us=10V,改变电阻RL的值,使其分别为100、47、20、10、5.1、1,测量其相对应的电流I和直流电压源端电压U,记于表3中。
表3电压源实验数据
RL()
100
47
20
5.1
U(V)
(3)根据测得的数据在坐标平面上绘制出直流电压源的伏安特性曲线。
4.测量实际直流电压源的伏安特性
(1)按图19-7接线,将直流稳压电源Us与电阻Ro(取47)相串联来模拟实际直流电压源,如图中虚线框内所示,取R=100。
(2)将稳压电源输出电压调节为Us=10V,改变电阻RL的值,使其分别为100、47、20、10、5.1、1,测量其相对应的实际电压源端电压U和电流I,记入表4中。
表4实际电压源实验数据
(3)根据测得的数据在下面平面坐标上绘制实际电压源的伏安特性曲线。
5.测量直流电流源的伏安特性
(1)按图19-8接线,RL为可变负载电阻。
(2)调节直流稳电源的输出电流为Is=25mA,改变RL的值分别为300、200、100、50、20,(其中300采用200与100串联,50采用2个100并联),测量对应时电流I和电压U,记入表5中。
表5电流源实验数据
300
200
50
(3)根据测得的数据在坐标平面上绘制电流源的伏安特性曲线。
6.测量实际直流电流源的伏安特性
(1)按图19-9接线,RL为负载电阻,取Ro=1k,将Ro与电流源并联来模拟实际电流源,如图中虚线框内所示。
(2)调节电流源输出电流Is=25mA,改变RL的值分别为300、200、100、50、20,测量对应的电流I和电压U,记入表6中。
表6实际电流源实验数据
(3)根据测得的数据在坐标平面上绘制实际电流源的伏安特性曲线。
五、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。
4.实验中用到的RL可以用470/2W的电位器代替,通过调节电位器接入不同的RL(用万用表测出),并记下各测量数据。
六、分析和讨论
1.比较47电阻与白炽灯的伏安特性曲线,可得出什么结论?
2.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?
3.在电子振荡器电路中,经常利用正温度系数的灯泡,作为振荡器电压稳定的自动调节元件,参考电路图19-10,试从钨丝灯伏安特性说明该振荡器稳幅原理。
4.根据不同的伏安特性曲线的性质区分它们为何种性质的电阻?
5.通过元件伏安特性曲线分析欧姆定律对哪些元件成立?
哪些元件不成立?
6.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?
7.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?
8.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?
9.选取表6中的任一组实验结果,按式(19-2)计算出Rs、Gs和实验参数比较。
附一:
二极管伏安特性曲线的研究
1.实验目的
通过对二极管伏安特性的测试,掌握锗二极管和硅二极管的非线性特性,从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。
2.伏安特性描述
对二极管施加正向偏置电压时,则二极管中就有正向电流通过(多数载流子导电),随着正向偏置电压的增加,开始时,电流随电压变化很缓慢,而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为0.2V左右,硅管为0.7V左右),电流急剧增加,二极管导通后,电压的少许变化,电流的变化都很大。
对上述二种器件施加反向偏置电压时,二极管处于截止状态,其反向电压增加至该二极管的击穿电压时,电流猛增,二极管被击穿,在二极管使用中应竭力避免出现击穿现察,这很容易造成二极管的永久性损坏。
所以在做二极管反向特性时,应串入限流电阻,以防因反向电流过大而损坏二极管。
二极管伏安特性示意见图19-F1-1,19-F1-2。
实验设计
(1)反向特性测试电路
图19-F1-3二极管反向特性测试电路
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。
测试电路如图19-F1-3,电阻选择510Ω。
(2)正向特性测试电路
图19-F1-4二极管正向特性测试电路
二极管在正向导通时,呈现的电阻值较小,宜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510
,调节电源电压,以得到所需电流值。
数据记录格式见表F1-1,F1-2
表F1-1反向伏安曲线测试数据表
I(
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