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 RX U 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 kT 1 则 IseqU 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 3A 在一定电流范围内 小灯泡的电压与电流的关系为U KIn 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