题目 12 制流和分压电路.doc

实验12 制流和分压电路一般说来，要控制电路中的电压和电流变化都使用变阻器，尤其是电位器 (或滑线式变阻器)，它可以控制电路中的电压和电流连续地变化，几乎在所有的电子仪器中都有应用。因此，对于电位器在电路中的不同接法和特点应有一个全面的了解，以充分地实现对电路的控制。另外，如何根据实验要求正确选择电位器（滑线式变阻器）的参数(阻值和额定电流)是一个重要问题。选择得当，仪器（实验）工作就稳定、精确和顺利；选择不当，仪器（实验）就不稳定、粗糙、甚至烧坏仪器。实验重点1学习使用变阻器组成制流，分压电路，了解两种电路的特点；2测量不同负载电阻对分压电路分压比的影响，了解如何根据电路调控要求选择变阻器。实验原理从研究电路的角度来看，一个实验电路一般可分为电源、控制电路和测量电路三部分。测量电路是事先根据实验方法确定好的，例如：要用比较法校准某一电流表，先要选好一个标准电流表，使它和待校表串联，这就是测量电路。测量电路既已确定，总是可以把它抽象地用一个电阻RZ来代替，称为负载。根据负载所要求的电压U和电流I，就可以选定电源。一般电学实验对电源并不苛求，只要选择电源的端电压U0略大于U，额定电流大于I即可。负载和电源都确定后，就可以安排控制电路，使负载能获得所需求的各个不同的电压和电流。一般来说，控制电路中电压和电流的变化，都可以用电位器（或滑线式变阻器）来实现。控制电路有制流和分压两种最基本的接法。两种接法的性能和特点可由：特性曲线、调节范围、细调程度来表征。1制流电路（1）制流特性曲线RZR0ACBEKAR2R1U0图 1 制流电路如图1所示，这时负载RZ的电流，当C移至A端时，负载上的电流最大，。引进参数，x为在变阻器上的相对位置，k称为电路特征系数，则有 （1）01xI/Imax1k=10k=2k=1k=0.5k=0.1k=0.02图 2 制流特性曲线对于不同的k值，x与I/Imax的关系如图2 所示，这即为制流特性曲线。由制流特性曲线可知；1） 负载电阻RZ上通过的电流不可能为零；2） k越大，调节范围越小，但线性程度越好；3） 对k1，调节的线性比较好，调节范围适中；4） 对k很小，电流调节范围很大，但线性程度很差，当x接近1时电流变化很大，这种情况称为细调程度不够。 (2) 调节范围 当滑线变阻器(电位器)滑动端C移至B端时,负载上的电流最小，引进参数x和k后，则有，所以制流电路的电流调节范围为：。 （3）细调程度 负载上电流的变化是靠变阻器滑动端的移动来实现的，对于滑线变阻器，即使很细心地移动滑动接头，位移也至少是电阻绕线的一圈。若绕线一圈的电阻值为DR0，那么控制电路阻值的变化至少也是DR0，这样负载上的电流最小改变量（DI）min也必然同时受到限制。对于其它变阻器也同样存在上述限制。由式（1）微分可得 （2）由此可见，当k值较大或x值较小时，（DI）min较小，控制电路就能够较精确地改变负载上的电流；当k值较小或x值较大时，（DI）min较大，细调能力下降。 2分压电路RZR1ABECKVU0R0R2 （1）分压特性如图3所示，负载RZ两端的电压U为 （3）与制流电路的讨论一样，引进电路参数图 3 分压电路 01xU/Umax1k10k=1k=0.1k=0.01可得 （4） 对于不同的k值(即不同的负载)，x与U/Umax的关系如图4所示，这即为分压特性曲线，由分压特性曲线可知：图 4 分压特性曲线 1）若要使电压U在0到U0（Umax）整个范围内均匀变化，则取k1比较合适，因此要求选用的变阻器R0小于负载电阻RZ。 2）0.01 k 0.1 的曲线的突出部分，可用在自动控制中对临界点做出灵敏的反应。 3) 用电位器或滑线变阻器组成分压电路时，变阻器的额定电流必须大于电路的最大总电流。 4） 若电源的端电压U0远大于负载所要求的电压范围U，例如：U0=2V，但U只要求在00.2V范围内均匀调节，这时可取k 0.05，即选用R020RZ，但调节时要小心，以免当x接近1时，电流过大，烧坏负载。 (2) 调节范围 调节范围和变阻器阻值无关，Umin=0，Umax=U0。 （3）细调程度 可分三种情况考虑： 1）k1(即RZR0)时，UxU0，U = U0x，即U的最小改变量为： （U）min = U0x （5）由此可见，当电路元件选定之后，在整个变阻器的调节范围内，细调程度处处都是相同的。如图4中k10的曲线） 2）k1(即RZR0)时，所以 （6） 可见，当x值较小时，（U）min较小，控制电路也能够较精细地改变负载的电流；当x值较大时，（U）min较大，细调能力下降。 3）k1时，计算式较复杂，由图4可以看出，其细调程度介于上述两者之间。 3安排控制电路的一般方法 一般在安排控制电路时，并不一定要求设计出一个最佳方案。只要根据现有的仪器设备设计出既安全又省电，且能满足实验要求的电路就可以了。最初设计时一般也不必做复杂的计算，可以边实验边改进。先根据负载的电阻所要求调节的范围，确定电源电压，然后综合比较一下选择是采用分压还是制流。确定了R0之后，估计一下细调程度是否足够，然后做一些初步试验，看看在整个范围内细调是否满足要求，如果不能满足，则可以加接变阻器，分段逐级细调，分段逐级细调如图5和图6所示。EKVRZ主控细调RZEKA主控细调图 5 制流细调电路图 6 分压细调电路设计举例例(1) 试为测量某元件的伏安特性设计控制电路.已知元件的阻值RZ0.1A的电源,实际用1号干电池组或实验室一般的稳压电源都可以. 考虑到负载电阻RZ较小,若采用分压,R0值更小,浪费的电能较大,不如采用制流.由Imin=0.01A,E=6V,RZ=50,根据式可算得R0600,故挑选变阻器应略大于600,这样的变阻器额定电流都大于0.1A,安全不成问题.按电路做实验,可能发觉细调程度不够,于是加接细调,最后电路见图7.6VK6006050mAV图 716VK600601500图 8例 (2) 为校准伏特表安排控制电路.已知负载电阻(待校表与标准表内阻的并联值)R=1500,伏特表量程为15V,等分100格.解:负载要求最高电压为15V,电流很小,选用16V的稳压电源或大于15V的干电池组都行.由于负载电阻和调节范围都比较大,宜采用分压电路,根据前面讨论,当k1时, 调节电压U在0到U0（Umax）整个范围内变化均匀.所以选k=2左右,即R0(1/2 )RZ,选用600左右的变阻器,