電學(xué)元件伏安特性研究

1、中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：大學(xué)物理(二)實(shí)驗(yàn)名稱：電學(xué)元件伏安特性研究實(shí)驗(yàn)形式：在線模擬+現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提交形式：提交書面實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 年級(jí)專業(yè)層次： 網(wǎng)絡(luò)秋高起專 學(xué)習(xí)中心： 習(xí)中心 提交時(shí)間： 2014 年 4 月 26 日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)測(cè)繪未知物理量之間的關(guān)系曲線。2學(xué)會(huì)建立經(jīng)驗(yàn)公式的基本方法。3學(xué)習(xí)正確選用測(cè)量電路來(lái)減小系統(tǒng)誤差的方法。4掌握測(cè)量電學(xué)元件伏安特性的基本方法，測(cè)繪金屬膜電阻、半導(dǎo)體二極管和小燈泡的伏安特性曲線。二、實(shí)驗(yàn)原理1線性元件與非線性元件 通過(guò)電學(xué)元件的電流與兩端電壓之間的關(guān)系稱為電學(xué)元件的伏安特性。一般以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱

2、坐標(biāo)作出元件的電壓電流關(guān)系曲線，稱為伏安特性曲線，如圖1所示。伏安特性曲線為直線的元件稱為線性元件，如碳膜電阻、金屬膜電阻、繞線電阻等一般電阻元件；伏安特性曲線為非直線的元件稱為非線性元件，如二極管、三極管、光敏電阻、熱敏電阻等。從伏安特性曲線遵循的規(guī)律，可以得知元件的導(dǎo)電特性，從而確定元件在電路中的作用。這種通過(guò)測(cè)量伏安特性曲線研究元件特性的方法稱為伏安法，主要用于非線性元件特性的研究。圖1伏安特性曲線當(dāng)一個(gè)元件兩端加上電壓、元件內(nèi)有電流通過(guò)時(shí)，電壓與電流之比稱為元件電阻。線性元件和非線性元件的電阻不同。線性元件的伏安特性曲線是一條直線，通過(guò)元件的電流I與加在元件兩端的電壓U成正比，電阻R為

3、一定值，即。非線性元件的伏安特性曲線不是一條直線，通過(guò)元件的電流I與加在元件兩端的電壓U不成線性關(guān)系變化，電阻隨電壓或電流的變化而變化。因此，分析非線性元件的電阻必須指出其工作狀態(tài)（電壓或電流）。對(duì)于非線性元件，電阻可以用靜態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻兩種方法表示，靜態(tài)電阻（也稱直流電阻）等于工作點(diǎn)的電壓和電流之比；動(dòng)態(tài)電阻（也稱特性電阻）等于工作點(diǎn)附件的電壓改變量和電流改變量之比，即工作點(diǎn)切線的斜率。如圖1所示，工作點(diǎn)Q的靜態(tài)電阻為               &#

4、160;                         （1） 動(dòng)態(tài)電阻為                        

5、60;    （2） 顯然，非線性元件的電阻是工作狀態(tài)的函數(shù)。 2二極管的伏安特性 半導(dǎo)體二極管根據(jù)所用材料的不同可分為硅二極管和鍺二極管等。二極管最重要的導(dǎo)電特性就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。?dāng)外加正向電壓時(shí)，二極管呈現(xiàn)的電阻值很小，能夠通過(guò)很大的電流。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管所呈現(xiàn)的電阻則很大，流過(guò)的電流卻很小。二極管的電流隨電壓變化的規(guī)律常用伏安特性曲線描述，某種二極管的伏安特性曲線如圖2所示。在二極管的正端接高電位、負(fù)端接低電位（正向接法）的條件下，兩端電壓不到1V時(shí)，電流就可達(dá)400mA。在二極管的負(fù)端接高電位、正端接低電位（反向接法）條件下，兩端電

6、壓小于100V時(shí)，反向電流很?。坏妷撼^(guò)110V時(shí)，反向電流就會(huì)急劇增加。根據(jù)二極管正向電流和正向電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系作圖，就可以得到正向伏安特性曲線；根據(jù)二極管反向電流和反向電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系作圖，就可以得到反向伏安特性曲線。圖2某種二極管的伏安特性曲線由伏安特性曲線可以看出，當(dāng)二極管為正向接法時(shí)，隨著電壓U的逐漸增加，電流I也增加。但是，在開(kāi)始一段，由于外加電壓很低，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)仍起阻擋作用，基本上沒(méi)有電流流過(guò)PN結(jié)，這一段稱為死區(qū)。硅管的死區(qū)電壓約00.5V之間，鍺管的約為00.2V之間。當(dāng)外加電壓U超過(guò)死區(qū)電壓以后，電流隨電壓的上升就增加得很快，但電流和電壓并不成正比。 當(dāng)二極

7、管反向接法時(shí)，只能有少數(shù)載流子形成反向電流，電流值很小，一般硅管反向電流小于幾十微安，鍺管小于幾百微安。由于載流子數(shù)量少，所以電流值基本上不隨反向電壓變化而變化。但是，當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，外電場(chǎng)將把半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的電子強(qiáng)行拉出來(lái)，造成反向電流突然增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。對(duì)于普通二極管，反向擊穿可導(dǎo)致管子發(fā)熱被燒毀，這是由于普通二極管最大耗散功率不夠，無(wú)法在反向擊穿區(qū)工作。穩(wěn)壓二極管一般能承受較大的工作電流和耗散功率，可以工作在反向擊穿區(qū)。2CW型硅穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線如圖3所示。當(dāng)反向電壓加到A點(diǎn)時(shí)，管子開(kāi)始擊穿，如果進(jìn)一步增加輸入電壓，則穩(wěn)壓管兩端的電壓幾乎不再增加，只是反向

8、電流從A點(diǎn)增到B點(diǎn)達(dá)到C點(diǎn)，因此起到了穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓二極管在反向擊穿區(qū)工作時(shí)，只要不超過(guò)最大工作電流和最大耗散功率，一般是不會(huì)燒毀的。 圖32CW型硅穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線 3伏安特性的測(cè)量 用伏安法測(cè)量元件的伏安特性時(shí)，常有兩種電路連接方法，分別是電流表內(nèi)接法和電流表外接法，如圖4所示。簡(jiǎn)化處理時(shí)直接采用電壓表讀數(shù)U和電流表讀數(shù)I之比得出被測(cè)元件電阻R，由于電壓表和電流表都有一定的內(nèi)阻，所以無(wú)論采用哪種連接方法都會(huì)引進(jìn)一定的系統(tǒng)誤差。圖4伏安法的兩種電表接線方式（1）電流表內(nèi)接法 當(dāng)電流表內(nèi)接時(shí)，電流表的讀數(shù)I為通過(guò)電阻Rx的電流，而電壓表的讀數(shù)為，所以實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電阻值為  &

9、#160;                   （3） 式（3）中RA為電流表內(nèi)阻。因此，采用電流表內(nèi)接法，測(cè)得的R值比實(shí)際值Rx偏大，只有當(dāng)時(shí)才有，所以電流表內(nèi)接法適合測(cè)量高值電阻。 （2）電流表外接法 當(dāng)電流表外接時(shí)，電壓表的讀數(shù)U為電阻Rx兩端的電壓，而電流表的讀數(shù)為，所以實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電阻值為           

10、;         （4） 式（4）中RV為電壓表內(nèi)阻。因此，采用電流表外接法，測(cè)得的R值比實(shí)際值Rx偏小，只有當(dāng)時(shí)才有，所以電流表外接法適合測(cè)量低值電阻。 根據(jù)式（3）和式（4）可知，已知電流表和電壓表的內(nèi)阻RA和RV時(shí)，可以利用下列公式對(duì)被測(cè)元件電阻Rx進(jìn)行修正。電流表內(nèi)接時(shí)                     

11、;             （5） 電流表外接時(shí)                                  （6） 因此，采用式（5）和式（6）可分別消

12、除電流表內(nèi)接法和電流表外接法因電表內(nèi)阻引入的系統(tǒng)誤差。 在簡(jiǎn)化處理的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合，只簡(jiǎn)單地采用作為被測(cè)元件電阻Rx值時(shí)，為了減小因電表內(nèi)阻引入的系統(tǒng)誤差，應(yīng)合理地選擇電表的連接方法。一般被測(cè)元件的電阻值很高時(shí)，選用電流表內(nèi)接法；反之，選用電流表外接法。在具體選擇時(shí)可用比較法，先粗測(cè)被測(cè)電阻Rx的值，比較和的大小，當(dāng)時(shí)，選用電流表外接法；反之，選用電流表內(nèi)接法。 圖5測(cè)量穩(wěn)壓二極管伏安特性的電路因此，在設(shè)計(jì)測(cè)量電學(xué)元件伏安特性的電路時(shí)，必須了解被測(cè)元件和所需儀器的規(guī)格，所加電壓和通過(guò)電流均不能超過(guò)元件和儀器的使用范圍。同時(shí)還要考慮根據(jù)這些條件所選用的電路連接方式（內(nèi)接法或外接法），應(yīng)盡可能減小測(cè)量的

13、系統(tǒng)誤差。測(cè)量穩(wěn)壓二極管伏安特性的參考電路如圖5所示，如果電壓或電流細(xì)調(diào)程度不夠，也可以采用兩個(gè)滑線變阻器或電位器組成二級(jí)分壓或制流電路。 4經(jīng)驗(yàn)公式的建立 物理過(guò)程中所涉及的物理量相互之間往往按照確定的規(guī)律變化。例如，加在電阻元件上的電壓U和通過(guò)的電流I；流體的溫度T與粘滯系數(shù)等。當(dāng)其中一個(gè)量變化時(shí)，另一個(gè)量也發(fā)生變化。要研究這些相關(guān)物理量的變化規(guī)律，首先應(yīng)該測(cè)繪出物理量之間的關(guān)系曲線；要進(jìn)一步揭示變化規(guī)律，還需找出經(jīng)驗(yàn)公式，也就是要找出所得關(guān)系曲線的解析表達(dá)式。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法探索物理規(guī)律，尋找兩個(gè)相關(guān)物理量之間的函數(shù)關(guān)系式即建立經(jīng)驗(yàn)公式，其基本方法如下： 測(cè)量?jī)蓚€(gè)相關(guān)物理量之間變化關(guān)系的實(shí)

14、驗(yàn)數(shù)據(jù)。 用直角坐標(biāo)做出物理量之間的關(guān)系曲線，并根據(jù)曲線形狀選擇合適的函數(shù)形式，建立數(shù)學(xué)模型。常見(jiàn)曲線的形狀與對(duì)應(yīng)的函數(shù)形式可參閱有關(guān)的數(shù)學(xué)書籍。 利用數(shù)據(jù)處理的有關(guān)知識(shí)，求解函數(shù)關(guān)系式中的常數(shù)，確定經(jīng)驗(yàn)公式。一般采用最小二乘法通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線擬合，也可以通過(guò)曲線改直，用作圖法、最小二乘法、逐差法等數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行計(jì)算。 用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式。 下面通過(guò)舉例具體說(shuō)明建立經(jīng)驗(yàn)公式的方法和步驟。例如，建立2CW104穩(wěn)壓二極管正向電壓U和電流I之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。 實(shí)驗(yàn)測(cè)出二極管的正向U、I變化關(guān)系的數(shù)據(jù) 由小到大給二極管加正向電壓，并測(cè)出電壓U和電流I的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示。表1二極管正向電壓

15、和電流數(shù)據(jù)記錄表 在直角坐標(biāo)紙上作出UI關(guān)系圖，如圖6所示，觀察曲線符合的數(shù)學(xué)形式，寫出函數(shù)式的一般表達(dá)式。圖62CW104正向伏安曲線 由圖6可知，除去約00.5V的死區(qū)外，正向伏安特性曲線近似為對(duì)數(shù)曲線，故設(shè)曲線方程為                  （7） 這是一個(gè)斜率為A、截距為B的直線方程，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，利用曲線改直的方法，把I取對(duì)數(shù)，在直角坐標(biāo)紙上作出圖線，如圖7所示。 求函數(shù)式中的未知常數(shù)圖72CW104正向?qū)?shù)伏安

16、曲線 由圖7可以看出，變化規(guī)律近似為一直線。這說(shuō)明對(duì)數(shù)關(guān)系成立，可按直線處理來(lái)求出式中的B和A。當(dāng)時(shí)，可得B=0.60，A為斜率的倒數(shù)，在直線上取M、N兩點(diǎn)可得 這樣就可確定描述2CW104正向伏安特性的經(jīng)驗(yàn)公式為            （8） 用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式 為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的正確性，可從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中任取一個(gè)電流值I，代入經(jīng)驗(yàn)公式，看算出的電壓U是否與原值相近。若相近，說(shuō)明所建立的經(jīng)驗(yàn)公式正確，否則要重新建立。例如，取I=18mA，代入式（8）中，可算出U=0.70V，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)U=0

17、.70V，符合得很好；再取I=80mA，算出U=0.75V，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)U=0.75V。通過(guò)驗(yàn)證表明所建立的經(jīng)驗(yàn)公式是符合這種二極管的伏安特性。三、實(shí)驗(yàn)器材直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓二極管，金屬膜電阻，小燈泡，萬(wàn)用電表，電壓表，電流表，電位器等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一必做部分 1測(cè)量穩(wěn)壓二極管的正向和反向伏安特性 （1）用萬(wàn)用表的歐姆擋判別穩(wěn)壓二極管的正反向。 （2）根據(jù)二極管的正向或反向，參考圖5所示電路接好測(cè)量線路，適當(dāng)選擇電流表和電壓表的量程。 （3）在測(cè)量范圍內(nèi)，從0開(kāi)始逐步增大電壓，記錄電壓值和相應(yīng)的電流值。 2測(cè)量金屬膜電阻的伏安特性 （1）用萬(wàn)用表的歐姆擋粗測(cè)被測(cè)電阻值的大小。 （2）根據(jù)被測(cè)電

18、阻值的大小，參考圖5所示電路選擇電流表內(nèi)接法或外接法，適當(dāng)選擇電流表和電壓表的量程。 （3）在測(cè)量范圍內(nèi)，從0開(kāi)始逐步增大電壓，記錄電壓值和相應(yīng)的電流值。 （4）改變加在被測(cè)電阻上的電壓方向，從0開(kāi)始逐步增大電壓，記錄電壓值和相應(yīng)的電流值。 3測(cè)量小燈泡的伏安特性 根據(jù)小燈泡的額定電壓和電流，估算靜態(tài)電阻的大小，選擇適用的測(cè)量電路，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行測(cè)量。 二選做部分設(shè)計(jì)性內(nèi)容 1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 設(shè)計(jì)利用示波器測(cè)量穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)方案。 2設(shè)計(jì)要求 （1）闡述基本實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法；（2）說(shuō)明基本實(shí)驗(yàn)步驟；（3）進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量；（4）說(shuō)明數(shù)據(jù)處理方法，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（5）與伏安法進(jìn)行比較，說(shuō)明各自的特點(diǎn)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1自擬數(shù)據(jù)表格，列表記錄和處理數(shù)據(jù)。 2以電壓為橫坐標(biāo)、電流為縱坐標(biāo)，利用測(cè)得的電壓和電流數(shù)據(jù)，分別繪制出穩(wěn)壓二極管、金屬膜電阻和小燈泡的伏安特性曲線，分析各自伏安特性曲線的特點(diǎn)和規(guī)律。正反向伏安特性曲線作在一張圖上，對(duì)于二極管，正反向坐標(biāo)可以取不同單位長(zhǎng)度。 3