电阻伏安特性

––146–Ⅲ根底物理试验––145–Ⅲ根底物理试验19电阻伏安特性及电源外特性的测量一、试验目的学习测量线性和非线性电阻元件伏安特性的方法，并绘制其特性曲线；学习测量电源外特性的方法；把握运用伏安法判定电阻元件类型的方法；学习使用直流电压表、电流表，把握电压、电流的测量方法。二、试验仪器11只，白炽灯泡1〔12V/3W〕及灯座，稳压二极管2CW5，电位器470/2，短接桥和连接导线及九孔插件方板三、试验原理电阻元件伏安特性(a)线性电阻的伏安特性曲线(a)线性电阻的伏安特性曲线(b)19-1伏安特性曲线二端电阻元件的伏安特性是指元件的端电压与通过该元件电流之间的函数关系。通过肯定的测量电路，用电压表、电流表可测定电阻元件的伏安特性，由测得的伏安特性可了〔简称伏安法测量所得数据，画出该电阻元件的伏安特性曲线。线性电阻元件线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律。可表示为：U=IRR为常量，它不随其19-1〔a〕所示。非线性电阻元件R安特性是一条过坐标原点的曲线，如图19-1〔b〕所示。测量方法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。直流电压源直流电压源抱负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19-2〔a〕虚线所示，在线性工作区它可以用一个抱负电压源Us电阻Rs19-2〔b〕19-2〔a〕中角θ越大，说明实际电压源内阻RsU和电流IUU R I 〔19-1〕S S测量方法19-2电压源特性R219-2电压源特性直流电流源直流电流源抱负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抱负电流源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GsIU19-3电流源外特性II UG 〔19-2〕S S测量方法电流源外特性的测量与电压源的测量方法一样。四、试验步骤测量线性电阻元件的伏安特性按图19-4RL=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。调整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。依据测得的数据，在下面坐标平面上绘制出RL=47电阻的伏安特性曲线。Us〔v〕I〔mA〕U〔v〕R=U/I〔〕

1线性电阻元件试验数据0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1019-4图19-5 钨丝灯泡伏安特性测试电路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〕通过本试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。试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。本试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肯定的电流范围内，电压和电流的关系为：UKIn 〔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UIUI1 1 2 2U KIn1 1U KIn2 2将式〔19-4〕除以式〔19-5〕式可得

〔19-4〕〔19-5〕UlgU1n I2lgI12

〔19-6〕将式〔19-6〕式代入式〔19-4〕式可以得到：KUIn11留意：肯定要掌握好钨丝灯泡的两端电压！严禁超过额定电压！

〔19-7〕12V20V1M200mA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，宜承受电流表外接法测量，电路图见图19-5。留意：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，留意不要超12V！记录相应的电流表数据。灯泡电压V〔V〕灯泡电流A〔mA〕灯泡电压V〔V〕灯泡电流A〔mA〕〔〕012345678910 11 12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。〔19-6〕〔19-7〕Kn〔19-3〕式，并进展多点验证。测量直流电压源的伏安特性按图19-6接线，将直流稳压电源视作直流电压源，取R=100。稳压电源的输出电压调整为Us=10VRL

10047、20、10、5.1、1，测量其相对应的电流IU，33电压源试验数据RR〔〕LI〔mA〕U〔V〕1004720105.11依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。测量实际直流电压源的伏安特性图19-6电压源试验线路 图19-7 实际电压源试验线路19-7UsRo〔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。将稳压电源输出电压调整为Us=10VRL

10047、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，4R〔R〔〕LI〔mA〕U〔V〕1004720105.11依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。测量直流电流源的伏安特性19-8R为可变负载电阻。19-819-8电流源试验线路19-9实际电流源试验线路调整直流稳电源的输出电流为Is=25mARL

300200100、52〔其中30承受20与105承受2个10并联流IU55电流源试验数据RR〔〕LI〔mA〕U〔V〕3002001005020依据测得的数据在坐标平面上绘制电流源的伏安特性曲线。测量实际直流电流源的伏安特性19-9RR1kRL o o流源，如图中虚线框内所示。调整电流源输出电流Is=25mA，转变RL

300、200、100、50、20，测量对应的电流I和电压U66实际电流源试验数据RR〔〕LI〔mA〕U〔V〕3002001005020依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、留意事项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，要留意直流仪表使用测量仪表前，应留意对量程和功能的正确选择。直流稳压电源的输出端不能短路。试验中用到的RL

可以用470/2WR〔用L万用表测出，并登记各测量数据。六、分析和争论比较47电阻与白炽灯的伏安特性曲线，可得出什么结论？试从钨丝灯泡的伏安特性曲线解释为什么在开灯的时候简洁烧坏？在电子振荡器电路中19-10，试从钨丝灯伏安特性说明该振荡器稳幅原理。依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？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？19-10钨丝灯稳幅的1KHz19-10钨丝灯稳幅的1KHz比较直流电流源和实际直流电流源的伏安特性曲中得出什么结论？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？6〔19-2〕Rs、Gs附一：二极管伏安特性曲线的争论试验目的通过对二极管伏安特性的测试，把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根底。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，开头时，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这很简洁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。试验设计锗二极管伏安特性硅二极管伏安特性反向特性测试电路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，承受电流表内接测试电路可以削减测量误差。测试电路如19-F1-3510Ω。19-F1-419-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，宜承受电流表外接测试电路。电源电0～10V510，调整电源电压，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U〔V〕U〔V〕电阻计算值〔〕F1-2I〔m〕U〔V〕电阻计算值〔〕正向伏安曲线测试数据表注：试验时二极管正向电流不得超过20mA。试验争论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？在制定表F1-2时，考虑到二极管正向特性严峻非线性，电阻值变化范围很大，在表F1-2附二：稳压二极管反向伏安特性试验试验目的通过稳压二极管反向伏安特性非线性的猛烈反差，进一步生疏把握电子元件伏安特性的测试技巧；通过本试验，把握二端式稳压二极管的使用方法。稳压二极管伏安特性描述2CW561N40072CW560.5。随着反向偏置电压的进一步增加，大约到8.8V时，消灭了反向击穿〔有意掺杂而成产生雪崩效应，其电流快速增加，电压稍许变化，将引起电流巨大变化。只要在线路中，对“雪崩”产生的电流实行有效的限流措施，其电流有小许变化，二极管二端电压仍旧是稳定的〔变化很小。这就是稳压二极管的使用根底，其应用电路见图19-F2-1。19-F2-1稳压二极管应用电路图中，E—供电电源，假设二极管稳压值为7～8.8V，则要求E10VR—限流电阻，2CW56，工作电流选择8mA，考虑负载电流2mA，通过R10mA，计算REUz 108R= = =200I 0.01CUZ—稳压输出电压。〔1〕2CW560～7V偏置电压进入击穿段，稳压二极管内阻较小〔估量为R=8/0.008=1K表外接测试电路。结合图19-F2-119-F2-2。〔2〕试验过程19-F2-2稳压二极管反向伏安特性测试电路电源电压调至零，按图19-F2-2接线，开头按电流表内接法，将电压表＋端接于电流100019-F2-2稳压二极管反向伏安特性测试电路2CW56已开头进入反向击穿过程，19-F2-110V。为了连续增加2CW56源电压。电流表接法测量数据内接式外接式U〔V〕I〔电流表接法测量数据内接式外接式U〔V〕I〔〕I〔mA〕U〔V〕将上述数据在坐标纸上画出2CW5619-F2-3。可利用计算机作图。图图19-F2-3 2CW56伏安曲线参考图思考题在测试稳压二极管反向伏安特性时，为什么会分二段分别承受电流表内接电路和外接电路？稳压二极管的限流电阻值如何确定？〔提示：依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〕8mA10V12V时，限流电阻又多大？当电流表内阻为0，电压表内阻无穷大时，下述两种测试电路都不会带来附加测量误差。被测电阻RU 。I实际的电流表具有肯定的内阻，记为RR由于RI U I和R的存在，假设简洁地用RU计算电阻器电阻值，必定带来附加测量误差。为了减U I少这种附加误差，测量电路可以粗略地按下述方法选择：图图19-F3-1电流表外接测量电路图19-F3-2电流表内接测量电路当RR，RRRU I当R>>R，RRI U当R>>R，R>>RI U方法如下：先按电流表外接电路接好测试电路，调整直流稳压电源电压，使两表指针都指向较大的位置，保持电源电压不变，登记两表值为U，I；将电路改成电流表内接式1 1测量电路，登记两表值为UI2 2UU和II比较，假设电压值变化不大，而II有显著的削减，说明R1 2 1 2 2 1U较U有显著的2 1削减，说明R为低值电阻，此时选择电