電阻伏安特性

––146–Ⅲ根底物理試驗(yàn)––145–Ⅲ根底物理試驗(yàn)19電阻伏安特性及電源外特性的測(cè)量一、試驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)測(cè)量線性和非線性電阻元件伏安特性的方法，并繪制其特性曲線；學(xué)習(xí)測(cè)量電源外特性的方法；把握運(yùn)用伏安法判定電阻元件類型的方法；學(xué)習(xí)使用直流電壓表、電流表，把握電壓、電流的測(cè)量方法。二、試驗(yàn)儀器11只，白熾燈泡1〔12V/3W〕及燈座，穩(wěn)壓二極管2CW5，電位器470/2，短接橋和連接導(dǎo)線及九孔插件方板三、試驗(yàn)原理電阻元件伏安特性(a)線性電阻的伏安特性曲線(a)線性電阻的伏安特性曲線(b)19-1伏安特性曲線二端電阻元件的伏安特性是指元件的端電壓與通過(guò)該元件電流之間的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)肯定的測(cè)量電路，用電壓表、電流表可測(cè)定電阻元件的伏安特性，由測(cè)得的伏安特性可了〔簡(jiǎn)稱伏安法測(cè)量所得數(shù)據(jù)，畫出該電阻元件的伏安特性曲線。線性電阻元件線性電阻元件的伏安特性滿足歐姆定律?？杀硎緸椋篣=IRR為常量，它不隨其19-1〔a〕所示。非線性電阻元件R安特性是一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的曲線，如圖19-1〔b〕所示。測(cè)量方法測(cè)電阻元件中通入不同方向和幅值的電流，測(cè)量該元件兩端的電壓，便得到被測(cè)電阻元件的伏安特性。直流電壓源直流電壓源抱負(fù)的直流電壓源輸出固定幅值的電壓，而它的輸出電流大小取決于它所連接的外電路。因此它的外特性曲線是平行于電流軸的直線，如圖19-2〔a〕中實(shí)線所示。實(shí)際電壓19-2〔a〕虛線所示，在線性工作區(qū)它可以用一個(gè)抱負(fù)電壓源Us電阻Rs19-2〔b〕19-2〔a〕中角θ越大，說(shuō)明實(shí)際電壓源內(nèi)阻RsU和電流IUU R I 〔19-1〕S S測(cè)量方法19-2電壓源特性R219-2電壓源特性直流電流源直流電流源抱負(fù)的直流電流源輸出固定幅值的電流，而其端電壓的大小取決于外電路，因此它的外特性曲線是平行于電壓軸的直線，如圖19-3〔a〕中實(shí)線所示。實(shí)際電流源的外特性曲線如圖19-3〔a〕中虛線所示。在線性工作區(qū)它可以用一個(gè)抱負(fù)電流源Is和內(nèi)電導(dǎo)Gs〔Gs=1/Rs〕相并聯(lián)的電路模型來(lái)表示，如圖19-3〔b〕所示。圖19-3〔a〕中的角θ越大，說(shuō)明實(shí)際電流源內(nèi)電導(dǎo)GsIU19-3電流源外特性II UG 〔19-2〕S S測(cè)量方法電流源外特性的測(cè)量與電壓源的測(cè)量方法一樣。四、試驗(yàn)步驟測(cè)量線性電阻元件的伏安特性按圖19-4RL=47，Us用直流穩(wěn)壓電源，先將穩(wěn)壓電源輸出電壓旋鈕置于零位。調(diào)整穩(wěn)壓電源輸出電壓旋鈕，使電壓Us分別為0V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V，并測(cè)量對(duì)應(yīng)的電流值和負(fù)載RL兩端電壓U，數(shù)據(jù)記入表1。然后斷開電源，穩(wěn)壓電源輸出電壓旋鈕置于零位。依據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，在下面坐標(biāo)平面上繪制出RL=47電阻的伏安特性曲線。Us〔v〕I〔mA〕U〔v〕R=U/I〔〕

1線性電阻元件試驗(yàn)數(shù)據(jù)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1019-4圖19-5 鎢絲燈泡伏安特性測(cè)試電路測(cè)量非線性電阻元件的伏安特性〔鎢絲燈電阻伏安特性測(cè)量〕通過(guò)本試驗(yàn)了解鎢絲燈電阻隨施加電壓增加而增加的特性，并了解鎢絲燈的使用情況。試驗(yàn)儀用燈泡中鎢絲和家用白熾燈泡中鎢絲同屬一種材料，但絲的粗細(xì)和長(zhǎng)短不同。本試驗(yàn)的鎢絲燈泡規(guī)格為12V0.1A。金屬鎢的電阻溫度系數(shù)為4.8×10-3/℃，為正溫度系數(shù)，當(dāng)燈泡兩端施加電壓后，鎢絲上就有電流流過(guò)，產(chǎn)生功耗，燈絲溫度上升，致使燈泡電阻增加。燈泡不加電時(shí)電阻稱為冷態(tài)電阻。施加額定電壓時(shí)測(cè)得的電阻稱為熱態(tài)電阻肯定的電流范圍內(nèi)，電壓和電流的關(guān)系為：UKIn 〔19-3〕式中U—燈泡二端電壓，I—燈泡流過(guò)的電流，K，N—與燈泡有關(guān)的常數(shù)為了求得常數(shù)K和n，可以通過(guò)二次測(cè)量所得UIUI1 1 2 2U KIn1 1U KIn2 2將式〔19-4〕除以式〔19-5〕式可得

〔19-4〕〔19-5〕UlgU1n I2lgI12

〔19-6〕將式〔19-6〕式代入式〔19-4〕式可以得到：KUIn11留意：肯定要掌握好鎢絲燈泡的兩端電壓！嚴(yán)禁超過(guò)額定電壓！

〔19-7〕12V20V1M200mA檔時(shí)內(nèi)阻為10或1〔因萬(wàn)用表不同而不同和燈泡電阻相比，小得不多，宜承受電流表外接法測(cè)量，電路圖見(jiàn)圖19-5。留意：接線前應(yīng)確認(rèn)電壓源的輸出已經(jīng)調(diào)到最?。“幢?規(guī)定的過(guò)程，逐步增加電源電壓，留意不要超12V！記錄相應(yīng)的電流表數(shù)據(jù)。燈泡電壓V〔V〕燈泡電流A〔mA〕燈泡電壓V〔V〕燈泡電流A〔mA〕〔〕012345678910 11 12在坐標(biāo)紙上畫出鎢絲燈泡的伏安特性曲線，并將電阻計(jì)算值也標(biāo)注在坐標(biāo)圖上?！?9-6〕〔19-7〕Kn〔19-3〕式，并進(jìn)展多點(diǎn)驗(yàn)證。測(cè)量直流電壓源的伏安特性按圖19-6接線，將直流穩(wěn)壓電源視作直流電壓源，取R=100。穩(wěn)壓電源的輸出電壓調(diào)整為Us=10VRL

10047、20、10、5.1、1，測(cè)量其相對(duì)應(yīng)的電流IU，33電壓源試驗(yàn)數(shù)據(jù)RR〔〕LI〔mA〕U〔V〕1004720105.11依據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)平面上繪制出直流電壓源的伏安特性曲線。測(cè)量實(shí)際直流電壓源的伏安特性圖19-6電壓源試驗(yàn)線路 圖19-7 實(shí)際電壓源試驗(yàn)線路19-7UsRo〔47〕相串聯(lián)來(lái)模擬實(shí)際直流電壓源，如圖中虛線框內(nèi)所示，取R=100。將穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)整為Us=10VRL

10047、20、10、5.1、1，測(cè)量其相對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓源端電壓U和電流I，4R〔R〔〕LI〔mA〕U〔V〕1004720105.11依據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)在下面平面坐標(biāo)上繪制實(shí)際電壓源的伏安特性曲線。測(cè)量直流電流源的伏安特性19-8R為可變負(fù)載電阻。19-819-8電流源試驗(yàn)線路19-9實(shí)際電流源試驗(yàn)線路調(diào)整直流穩(wěn)電源的輸出電流為Is=25mARL

300200100、52〔其中30承受20與105承受2個(gè)10并聯(lián)流IU55電流源試驗(yàn)數(shù)據(jù)RR〔〕LI〔mA〕U〔V〕3002001005020依據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)平面上繪制電流源的伏安特性曲線。測(cè)量實(shí)際直流電流源的伏安特性19-9RR1kRL o o流源，如圖中虛線框內(nèi)所示。調(diào)整電流源輸出電流Is=25mA，轉(zhuǎn)變RL

300、200、100、50、20，測(cè)量對(duì)應(yīng)的電流I和電壓U66實(shí)際電流源試驗(yàn)數(shù)據(jù)RR〔〕LI〔mA〕U〔V〕3002001005020依據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)平面上繪制實(shí)際電流源的伏安特性曲線。五、留意事項(xiàng)電流表應(yīng)串接在被測(cè)電流支路中，電壓表應(yīng)并接在被測(cè)電壓兩端，要留意直流儀表使用測(cè)量?jī)x表前，應(yīng)留意對(duì)量程和功能的正確選擇。直流穩(wěn)壓電源的輸出端不能短路。試驗(yàn)中用到的RL

可以用470/2WR〔用L萬(wàn)用表測(cè)出，并登記各測(cè)量數(shù)據(jù)。六、分析和爭(zhēng)論比較47電阻與白熾燈的伏安特性曲線，可得出什么結(jié)論？試從鎢絲燈泡的伏安特性曲線解釋為什么在開燈的時(shí)候簡(jiǎn)潔燒壞？在電子振蕩器電路中19-10，試從鎢絲燈伏安特性說(shuō)明該振蕩器穩(wěn)幅原理。依據(jù)不同的伏安特性曲線的性質(zhì)區(qū)分它們?yōu)楹畏N性質(zhì)的電阻？通過(guò)元件伏安特性曲線分析歐姆定律對(duì)哪些元件成立？哪些元件不成立？19-10鎢絲燈穩(wěn)幅的1KHz19-10鎢絲燈穩(wěn)幅的1KHz比較直流電流源和實(shí)際直流電流源的伏安特性曲中得出什么結(jié)論？穩(wěn)壓電源串聯(lián)電阻構(gòu)成的電壓源，它的輸出電壓與輸出電流之間有什么關(guān)系？是否能寫出伏安特性方程式？6〔19-2〕Rs、Gs附一：二極管伏安特性曲線的爭(zhēng)論試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)對(duì)二極管伏安特性的測(cè)試，把握鍺二極管和硅二極管的非線性特性，從而為以后正確設(shè)計(jì)使用這些器件打下技術(shù)根底。伏安特性描述對(duì)二極管施加正向偏置電壓時(shí)，則二極管中就有正向電流通過(guò)〔多數(shù)載流子導(dǎo)電隨著正向偏置電壓的增加，開頭時(shí)，電流隨電壓變化很緩慢，而當(dāng)正向偏置電壓增至接近二極管導(dǎo)通電壓時(shí)〔鍺管為0.2V左右，硅管為0.7V左右，電流急劇增加，二極管導(dǎo)通后，電壓的少許變化，電流的變化都很大。對(duì)上述二種器件施加反向偏置電壓時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，其反向電壓增加至該二這很簡(jiǎn)潔造成二極管的永久性損壞。所以在做二極管反向特性時(shí)，應(yīng)串入限流電阻，以防因反向電流過(guò)大而損壞二極管。二極管伏安特性示意見(jiàn)圖19-F1-1，19-F1-2。試驗(yàn)設(shè)計(jì)鍺二極管伏安特性硅二極管伏安特性反向特性測(cè)試電路19-F1-3二極管反向特性測(cè)試電路二極管的反向電阻值很大，承受電流表內(nèi)接測(cè)試電路可以削減測(cè)量誤差。測(cè)試電路如19-F1-3510Ω。19-F1-419-F1-4二極管正向特性測(cè)試電路二極管在正向?qū)〞r(shí)，呈現(xiàn)的電阻值較小，宜承受電流表外接測(cè)試電路。電源電0～10V510，調(diào)整電源電壓，以得到所需電流值。數(shù)據(jù)記錄格式見(jiàn)表F1-1，F(xiàn)1-2表F1-1 反向伏安曲線測(cè)試數(shù)據(jù)表U〔V〕U〔V〕電阻計(jì)算值〔〕F1-2I〔m〕U〔V〕電阻計(jì)算值〔〕正向伏安曲線測(cè)試數(shù)據(jù)表注：試驗(yàn)時(shí)二極管正向電流不得超過(guò)20mA。試驗(yàn)爭(zhēng)論二極管反向電阻和正向電阻差異如此大，其物理原理是什么？在制定表F1-2時(shí)，考慮到二極管正向特性嚴(yán)峻非線性，電阻值變化范圍很大，在表F1-2附二：穩(wěn)壓二極管反向伏安特性試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)穩(wěn)壓二極管反向伏安特性非線性的猛烈反差，進(jìn)一步生疏把握電子元件伏安特性的測(cè)試技巧；通過(guò)本試驗(yàn)，把握二端式穩(wěn)壓二極管的使用方法。穩(wěn)壓二極管伏安特性描述2CW561N40072CW560.5。隨著反向偏置電壓的進(jìn)一步增加，大約到8.8V時(shí)，消滅了反向擊穿〔有意摻雜而成產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，其電流快速增加，電壓稍許變化，將引起電流巨大變化。只要在線路中，對(duì)“雪崩”產(chǎn)生的電流實(shí)行有效的限流措施，其電流有小許變化，二極管二端電壓仍舊是穩(wěn)定的〔變化很小。這就是穩(wěn)壓二極管的使用根底，其應(yīng)用電路見(jiàn)圖19-F2-1。19-F2-1穩(wěn)壓二極管應(yīng)用電路圖中，E—供電電源，假設(shè)二極管穩(wěn)壓值為7～8.8V，則要求E10VR—限流電阻，2CW56，工作電流選擇8mA，考慮負(fù)載電流2mA，通過(guò)R10mA，計(jì)算REUz 108R= = =200I 0.01CUZ—穩(wěn)壓輸出電壓?！?〕2CW560～7V偏置電壓進(jìn)入擊穿段，穩(wěn)壓二極管內(nèi)阻較小〔估量為R=8/0.008=1K表外接測(cè)試電路。結(jié)合圖19-F2-119-F2-2?！?〕試驗(yàn)過(guò)程19-F2-2穩(wěn)壓二極管反向伏安特性測(cè)試電路電源電壓調(diào)至零，按圖19-F2-2接線，開頭按電流表內(nèi)接法，將電壓表＋端接于電流100019-F2-2穩(wěn)壓二極管反向伏安特性測(cè)試電路2CW56已開頭進(jìn)入反向擊穿過(guò)程，19-F2-110V。為了連續(xù)增加2CW56源電壓。電流表接法測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)接式外接式U〔V〕I〔電流表接法測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)接式外接式U〔V〕I〔〕I〔mA〕U〔V〕將上述數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上畫出2CW5619-F2-3?？衫糜?jì)算機(jī)作圖。圖圖19-F2-3 2CW56伏安曲線參考圖思考題在測(cè)試穩(wěn)壓二極管反向伏安特性時(shí)，為什么會(huì)分二段分別承受電流表內(nèi)接電路和外接電路？穩(wěn)壓二極管的限流電阻值如何確定？〔提示：依據(jù)要求的穩(wěn)壓二極管動(dòng)態(tài)內(nèi)阻確定工作電流，由工作電流再計(jì)算限流電阻大小〕8mA10V12V時(shí)，限流電阻又多大？當(dāng)電流表內(nèi)阻為0，電壓表內(nèi)阻無(wú)窮大時(shí)，下述兩種測(cè)試電路都不會(huì)帶來(lái)附加測(cè)量誤差。被測(cè)電阻RU 。I實(shí)際的電流表具有肯定的內(nèi)阻，記為RR由于RI U I和R的存在，假設(shè)簡(jiǎn)潔地用RU計(jì)算電阻器電阻值，必定帶來(lái)附加測(cè)量誤差。為了減U I少這種附加誤差，測(cè)量電路可以粗略地按下述方法選擇：圖圖19-F3-1電流表外接測(cè)量電路圖19-F3-2電流表內(nèi)接測(cè)量電路當(dāng)RR，RRRU I當(dāng)R>>R，RRI U當(dāng)R>>R，R>>RI U方法如下：先按電流表外接電路接好測(cè)試電路，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源電壓，使兩表指針都指向較大的位置，保持電源電壓不變，登記兩表值為U，I；將電路改成電流表內(nèi)接式1 1測(cè)量電路，登記兩表值為UI2 2UU和II比較，假設(shè)電壓值變化不大，而II有顯著的削減，說(shuō)明R1 2 1 2 2 1U較U有顯著的2 1削減，說(shuō)明R為低值電阻，此時(shí)選擇電