非线性原件的伏安特性测量.ppt

测量非线性元件的伏安特性,南京理工大学物理实验中心,【实验目的】,学习测量非线性元件的伏安特性，了解进行伏安法测量时两种电表的连接方法和接入误差 ； 学习用数字万用电表测量二极管的伏安特性； 了解二极管的单向导电性和稳压二极管的稳压特性； 了解白炽灯的伏安特性,【实验仪器】,直流稳压电源（干电池），变阻器，电阻箱，二极管，稳压二极管，小白炽灯泡，数字万用电表,【实验原理】,1、伏安特性 给一个元件通以直流电，用电压表测出元件两端的电压，用电流表测出通过元器件的电流。通常以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出该元件电流和电压的关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。由伏安特性曲线可以很直观的发现元件的电学特性。 伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，如电阻；伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件， 如二极管、三极管等。,线性元件的伏安特性曲线 非线性元件的伏安特性曲线,根据欧姆定律，电阻R、电压U、电流I,有如下关系：R=U/I 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。 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RD表示；另一种称为动态电阻用rD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，如图所示，图中Q点的静态电阻RD=UQ/IQ,动态电阻rD=dU/dI。,2电表连接方法和接入误差,测量伏安特性时电表连接方法有两种：电流表外接（图b）和电流表内接（图a） 。,由于电表内阻的影响，这两种接法都会引进一定的系统误差。当电流表内接时，系统误差为RA/RX,当电流表外接时，为Rx/(Rx+Rv) 使用电流表内接时，会使Rx比实测值偏大，修正值为：RXU/I-RA；使用电流表外接时，会使Rx比实测值偏小,修正值为RX 1/(I/U-1/RV)。 在测量小电阻，且电压表内阻远大于Rx时，常采用电流表外接；在测量大电阻，且电流表内阻远小于Rx时，常采用电流表内接。,伏安法计算电阻带来的误差,3 二极管,普通二极管 发光二极管 贴片二极管,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。,二极管特性,二极管的主要特点是单向导电性，电流从正极流入，负极流出。 二极管是一个非线性元件 。 二极管的主要参数： UD称为正向导通阈值电压 UB为反向击穿电压 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UBr,一般为反向击穿电压的一半； 反向电流Ir是反向饱和电流IS的额定值。,PN节的伏安特性,由半导体物理可知，PN结是一个非线性元件，PN结的正向电流电压的关系满足 I=Is eqU/T-1 （1） I是通过PN结的正向电流，U为PN结正向压降，Is是反向饱和电流为常数，q是电子的电荷量，k玻耳兹曼常数，T是热力学温度。 q=1.60210库仑； k=1.3810焦耳开； T=273.15+t； 在室温下eeU/kT1,则= Is eqU/kT,即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。,4、稳压二极管,稳压二极管是一种特殊的硅二极管。 与一般二极管不同，普通二极管击穿后电流急剧增大。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 。,稳压管常用在稳压、恒流等电路中。,5. 测量小白炽灯泡的伏安特性曲线,白炽灯是日常生活中经常使用的光源之一，由金属钨丝制成灯丝，因此也常称做钨丝灯。当电流通过时，灯丝发热而发光。在工作时，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 。 白炽灯的种类很多，实验中使用的小灯泡是常用做手电筒的光源（其工作条件是12V， 0.3 A）。在一定电流范围内，小灯泡的电压与电流的关系为 UKIn （2） 式中K和n是与灯泡有关的系数。,滑线变阻器的制流电路,制流电路,制流曲线,K=RL/R0,分压电路,分压曲线,K=RL/R0,滑线变阻器的分压电路,【实验内容及要求】,图4 二极管伏安特性测量原理图 电表参数：2V档，200mA档。,图5 小灯泡伏安特性测量原理图 电表参数：12V档，200mA档。,1） 按照图4将普通二极管连接到测量电路中。 2）电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始有正向电流时，开始记录电压电流数据，正向电流达到20mA时实验结束，这里要求实验数据不能少于20个。记录I-U关系数据，在作图纸上描出正向伏安特性曲线。 说明：由于普通二极管的反向击穿电压一般很大（约100V左右），远远超出了安全电压的范围，因而实验中不需要测量普通二极管的反向伏安特性。,1、测量普通二极管的正向伏安特性实验,1）按照图4将稳压二极管连接到测量电路中。 2 ）电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始有正向电流时，开始记录电压电流数据，正向电流达到20mA时结束，这里要求实验数据不能少于20个。在作图纸上描出正向伏安特性曲线。 利用伏安特性曲线求出正向导通阈值电压。,2、测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验,3）按照图4将稳压二极管反向连接到测量电路中。 4）实验数据不能少于10个，测出反向电流达20mA时稳压二极管的反向击穿电压（稳