(完整word版)实验4元件伏安特性的测定

【实验目的】

1．验证欧姆定律；

2．掌握测量伏安特性的基本方法；

3．学会直流电源、电压表、电流表、电阻箱等仪器的正确使用方法。 【实验仪器】

专用连接线10根、电源线1根、保险丝(1A，FB321型电阻V~A特性实验仪 1台、

已在电源插座中)2根、待测二极管、稳压二极管、小灯泡各2只。 【实验原理】

1．电学元件的伏安特性

在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。在欧姆定律UIR式中，电压U的单位为伏特，电流I的单位为安培，电阻R的单位为欧姆。一般以电压为横坐标和电流为纵坐标作出元件的电压－电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。

图4-1 线性元件的伏安特性 图4-2 非线性元件的伏安特

对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比关系变化，即其伏安特性曲线为一直线。这类元件称为线性元件，如图4-1所示。至于半导体二极管、稳压管等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线。这类元件称为非线性元件，如图4-2所示为某非线性元件的伏安特性。

在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的电压和通过的电流均不超过额定值。此外，还必须了解测量时所需其它仪器的规格(如电源、电压表、电流表、滑线变阻器等的规格)，也不得超过其量程或使用范围。根据这些条件所设计的线路，可以将测量误差减到最小。

2．实验线路的比较与选择

a 电流表内接 b 电流表外接

图4-3 电流表的内、外接线路

在测量电阻R的伏安特性的线路中，常有两种接法，即图4-3 (a)中电流表内接法和图4-3 (b)中电流表外接法。电压表和电流表都有一定的内阻(分别设为RV和RA)。简化处理时直接用电压表读数U除以电流表读数I来得到被测电阻值R，即RU/I，这样会引进一定的系统性误差。

当电流表内接时，电压表读数比电阻端电压值大，即有 RURA (4-1) I当电流表外接时，电流表读数比电阻R中流过的电流大，这时应有

1I1 ( 4-2) RURV在(4-1)式和(4-2)式中，RA和RV分别代表安培表和伏特表的内阻。比较电流表的内接法和外接法，显然，如果简单地用UI值作为被测电阻值，电流表内接法的结果偏大，而电流表外接法的结果偏小，都有一定的系统性误差。在需要作这样简化处理的实验场合，为了减少上述系统性误差，测量电阻的线路方案可以粗略地按下列办法来选择： (1) 当RRV ,且R较RA大得不多时，宜选用电流表外接； (2) 当RRA ，且R和RV相差不多时，宜选用电流表内接；

(3) 当RRA ，且RRV时，则必须先用电流表内接法和外接法测量，然后再比较电流表的读数变化大还是电压表的读数变化大，根据比较结果再决定采用内接法还是外接法，具体方法见本实验的实验内容第2点的第(3)小点。

如果要得到待测电阻的准确值，则必须测出电表内阻并按(1)和(2)式进行修正，本实验不进行这种修正。 【实验内容】

1、测定线性电阻的伏安特性，并作出伏安特性曲线，从图上求出电阻值

a 电流表的内接 b 电流表的外接

图4-4 判断电流表的内、外接线路

(1) 按图4-4接线，其中R1K 电阻。

(2) 依此选择电源的输出电压档为10V，电流表和电压表的量程分别为20mA和

20V，分压输出滑动端C置于B端（为什么？注意本实验中B端皆指接于电源负极的公

共端）。然后自己复核电路无误后，请教师检查。

(3) 选择测量线路。按图4-4(a)连接线路并合上K1 ，调节分压输出滑动端C使电压表(可设置电压值U12.00V)和电流表有一合适的指示值，记下这时的电压值U1和电流值I1，然后，再按图4-4(b)连接线路并合上K1 ，调节分压输出滑动端C使电压表值不变，记下U2和I2。将U1、I1与U2、I2进行比较，若电流表示值有显著变化(增大)，R便为高阻(相对电流表内阻而言)则采用电流表内接法。若电压表有显著变化(减小)，R即为低阻(相对电压表内阻而言)，则采用电流表外接法。按照系统误差较小的联接方式接通电路(即确定电流表内接还是外接)。但若无论电流表内接还是外接，电流表示值和电压表示值均没有显著变化，则采用任何一种联接方式均可(为什么会产生这样的现象？)。 (4) 选定测量线路后，取合适的电压变化值(如变化范围3.00~10.00V，变化步长为

1.00V)，改变电压测量8个测量点，将对应的电压与电流值列表记录，以便作图。 2、测定二极管正向伏安特性，并画出伏安特性曲线

(1) 联线前，先记录所用晶体管型号和主要参数(即最大正向电流和最大反向电压)。然后用万用表欧姆档测量其正反向阻值，从而判断晶体二级管的正负极(万用表处于欧姆档时，负笔为正电位，正笔为负电位。指针式、数字式则相反)。

想一想如何利用它判别二极管的正负极？还有其它判别二极管极性的办法吗？

图4-5 测量二极管正向特性与实验接线图

在本实验中，我们实际上可以直接根据在二极管元件上的标志来判断其正反向(正 负极)的。

(2) 测量晶体二极管正向特性：

因为二极管正向电阻小，可用图4-5所示的电路，图中R100为保护电阻，用以限制电流。避免电压到达二极管的正向导通电压值时，电流太大，损坏二极管或电流表。接通电源前应调节电源E使其输出电压为3V左右，并将分压输出滑动端C置于B端(这与图4-4是一样的)。然后缓慢增加电压，如取0.00V、0.10V、0.20V、……(到电流变化大的地方，如硅管约0.6~0.8V可适当减小测量间隔)，读出相应电流值，将数据记入相应表格。最后关断电源(此实验硅管电压范围在1.0V以内，电流应小于最大正向额定【数据处理】

电流，可据此选用电表量程。表格上方应注明各电表量程及相应误差)。

1、线性电阻伏安特性的测定 2、测量线路的选择及误差分析

电压表准确度等级K__________，量程Um__________V 电流表准确度等级K__________，量程Im__________A

表一 测量线路的选择及误差分析

电流表内接 U1 I1 R1U1 I1R1R1 R1R1 U2 I2 UR22 I2 R2R2 R2R2 电流表外接 表一中R、U、I的计算公式如下：  RUI；

RUI22其中UK%Um， U为测得值；IK%Im，， I为测得值。 由此可见，使电表读数尽可能接近满量程时，测量电阻的准确度高。

将U1、I1与U2、I2 进行直接比较，可以确定电流表内接还是外接。本实验可以作进一步分析。

3、 电阻伏安特性测定

表二 电阻伏安特性测定 测量序数 U (V) I (mA) 1 2 3 4 5 6 7 8 数据处理要求：

(a) 按上表数据进行等精度作图（复习等精度作图规则）。以自变量U为横坐标，应变量I为纵坐标，且据等精度原则选取作图比例尺。例如电压表准确度K0.5 ，

Um10V，则U100.5%0.05V，即测量的电压值中小数点后第一位（十分位）

是可信值，而百分位为可疑数，故作图时横轴的比例尺应为1mm0.1V。同理，可定出纵轴1mm代表多少mA 。

(b) 从UI图上求电阻R值。在UI图上选取两点A和B(不要选与测量数据相同的点，且A、B点尽可能相距远一些，请思考为什么？)，由下式求出R值。

R

UBUA

IBIA

4、 二极管正、反向伏安特性曲线测定

表三 二极管正、反向伏安特性曲线测定

测量序数 U (V) I (mA) 1 2 3 4 5 6 7 8 数据处理要求：

按上表数据进行等精度作图，画出二极管正向伏安特性曲线。 【注意事项】

l、为保护直流稳压电源，接通与断开电源前均需先使其输出为零，然后再接通或断开电源开关。输出调节旋钮的调节必须轻、缓。

2、更换测量内容前，必须使电源输出为零，然后再逐渐增加至需要值．否则元件将会损坏。

3、测定稳压管伏安特性曲线时，不应超过其最大稳定电流Imax。

4、测定小电珠的伏安特性曲线时，注意所加的电压不得超过其额定电压和额定功率。 【思考题】

1、电流表或电压表面板上的符号各代表什么意义？电表的准确度等级是怎样定义的？怎样确定电表读数的示值误差和读数的有效数字？

图4-6 变阻器的限流接法

2、滑线变阻器在电路中主要有几种基本接法？它们的功能分别是什么？在图4.72-4和图1.7-6的线路中滑线变阻器各起什么作用？在图1.7-6中，当滑动端C移至A或B时，电压表读数的变化与图4.72-4中移动C点时的变化是否相同？

3、1.5级0~3V的电压表表面共有60分格，如以V为单位，它的读数应读到小数点后第几位？2.5级0~10mA的毫安表表面共有50分格，如以mA为单位，它的读数又应读到小数点后第几位？

4、有一个0.5级、量限为100mA的电流表，它的最小分度值一般应是多少？最大绝对误差是多少？当读数为50.0mA，此时的相对误差是多少？若电表还有200mA的量程，上列各项分别是多少？

5、用量程为1.5/3.0/7.5/15V的电压表和50/500/1000mA的电流表测量额定电压为额定电流为300mA的小电珠的伏安特性，电压表和电流表应选哪一量程？若欲测6.3V，

另一额定电压力为12V的小电珠，额定电流不知道，这时电压表和电流表的量程如何选取？

6、提供下列仪表：0~6V可调直流稳压电源；滑线变阻器R0100 (2A)及待测电阻一只；待校1.5 1k (0.5A)各一只；0.5 级多量程电流表；0.5级多量程电压表；级电压表一只。已知电表内阻

量程 (mA) 7.5 15 30 75

电流表

内阻RA() 3.43 2.31 1.26 0.4 量程 (V) 3 7.5 15

电压表

内阻RV() 500/V

(1) 设计一个伏安法测电阻的控制电路，待测电阻200，电流表内接，电流调节范围20~30mA ，画出电路，并注明电路中各元件的参数。

(2) 设计一个校正电压表的控制电路，待校表量程5V，内阻50k，画出电路，并注明电路中各元件的参数。 【附录】

FB321型电阻元件VA特性实验仪使用说明 一、实验仪概述

本实验仪由直流稳压电源、可变电阻器、电流表、电压表及被测元件等五部分组成，电压表和电流表采用四位半数显表头，可以独立完成对线性电阻元件、半导体二极管、钨丝灯泡等电学元件的伏安特性测量。必须合理配接电压表和电流表，才能使测量误差最小，这样可使初学者在实验方案设计中，得到锻炼。 二、直流稳压电源技术指标

1、输出电压：0~2V、0~10V两档(连续可调) 2、负载电流：0~200mA

3、输出电压稳定性：优于1104/1小时 4、输出波纹：≤1mVrms 5、负载稳定性：：优于1103

6、输出设有短路和过流保护电路，输出电流 ≤200mA 7、输出电压调节：分粗调、细调、配合使用 8、输入电源：220V10%,50Hz ,耗电≤20W 三、电阻箱结构和技术指标

1、整机结构

可变电阻箱由(0～10)×1000，(0～10)×100和(0～10)×10三位可变电阻开关盘

构成，如下图4-7

2、技术指标

1) 电阻变化范围：0～11100，最小步进量10；

2) 电阻的功耗值：(1～10)×1000，0.5W；(1～10)×100，1W；(1～10)×10，5W。

3、使用说明 1) 作变阻器使用

0号和2号端之间电阻等于三个位电阻盘电阻值之和，电阻值为0～11100，最小步进值为10。0号和1号或1号和2号端子间电阻值分别为0～1100最小步进量10及0～10000步进量1000。

图4-7 FB321型 电阻元件伏安特性实验仪整机面件图

2)构成分压器

当电源正极接于2号端子，负极接于0号端子，从0号端1号端子上获得电源电压的分压输出,由电压表显示出分电压值。其接线图见图4.72-8。

由图4-8得 uOER0R1

R0R1R2式中U0—分压电压输出值，E—电源电压，

R2：是×1000电阻盘示值电阻，可由电阻盘旋钮调节阻值； R1R0：×100与×10电阻盘总电阻，≤1100；

图4-8 FB321型 分压电路接法，电压表显示分电压

四、电压表

1) 满量程电压： 2V、20V，量程变换由调节转换开关完成。 2) 表头最大显示：19999 3) 各量程内阻值：见表一

表一 电压表各量程内阻值

电压表量程 电压表内阻 2V 1M 20V 10M 五、电流表；

表头参数

1) 满量程电流：2mA、20mA、200mA，量程变换由调节转换开关完成。 2) 各量程内阻：见表2 3) 表头最大显示：19999

表二 电流表个量程内阻值 电流表量程 电流表内阻 六、被测元件

2mA 100 20mA 10 200mA 1 1、仪器设计时，被测元件采用标准化插件方式接入仪器，使用和更换待测元件十分便利，而且用户可根据实验需要增加测试内容。随机测件参数：

1) RJ2W1K5%：金属膜电阻器，安全电压：20V； 2) RJ2W1005%：金属膜电阻器，安全电压：10V；

3) 二极管，最高反向峰值电压10V，正向最大电流0.2A(正向压降0.8V) 4) 稳压管1N4375稳定电压6.2V，最大工作电流35mA，工作电流5mA时动态电阻为20 ，正向压降1V。

5) 钨丝灯泡：冷态电阻为10左右（室温下），12V, 0.1A时热态电阻80左右，安 全电压13V。

2、被测元件安全性说明

1) RJ2W1K，RJ2W10K两只电阻的安全电压都是按额定损耗值的80%

计算所得，本实验仪直流稳压电源电压为0~15V，因此这两只电阻在作V~A特性测量时，不加任何限流电阻或分压、降压措施，都是安全的。

2) 稳压管和二极管的正向特性大致相同，测量时要限制正向电流，一般不要超过正 向额定电流值的75% ，正向最大电流按给定的工作电流。稳压管反向击穿电压即为稳压值，此时要串入电阻箱限制工作电流不超过最大额定工作电流（例如不超过100mA），否则稳压二极管将从齐纳击穿转变为不可逆转的热击穿，此时稳压二极管将损坏！

3) 钨丝灯泡冷态电阻较低，约10，如果电压增加太快,容易造成过载，提高电压时测反向特性，同样在电流变化迅速区域．电压间隔应取得密一些：

4) 测量小电珠的伏安特性曲线。

测试电路与实际步骤，由实验者自行设计。

要缓慢一些，避免灯丝烧毁。