实验一 线性与非线性元件伏安特性的测定

实验一  线性与非线性元件伏安特性的测定

一、实验目的

1．掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的测试技能。

2．学习直流稳压电源、直流电压表、电流表的使用方法。

3．加深对线性电阻元件、非线性电阻元件伏安特性的理解，验证欧姆定律。

二、实验原理

电阻元件是一种对电流呈现阻力的元件，有阻碍电流流动的性能。当电流通过电阻元件时，必然要消耗能量，就会沿着电流流动的方向产生电压降，电压降的大小等于电流的大小与电阻值的乘积。电压降和电流及电阻的这一关系称为欧姆定律。

                                                      (1－1)

    上式的前提条件是电压U和电流I的参考方向相关联，亦即参考方向一致。如果参考方向相反，则欧姆定律的形式应为

                                            (1－2)

    电阻上的电压和流过它的电流是同时并存的，也就是说，任何时刻电阻两端的电压降只由该时刻流过电阻的电流所确定，与该时刻前的电流的大小无关，因此电阻元件又称为“无记忆”元件。

    当电阻元件R的值不随电压或电流大小的变化而改变时，则电阻R两端的电压与流过它的电流成正比例。我们把符合这种条件的电阻元件称为线性电阻元件。反之，不符合上述条件的电阻元件被叫做非线性电阻元件。

任一二端电阻元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系U＝f(I)来表示，即用U－I平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该电阻元件的伏安特性曲线。根据伏安特性的不同，电阻元件分两大类：线性电阻和非线性电阻。线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图1－1中（a）所示，该直线的斜率只由电阻元件的电阻值R决定，其阻值为常数，与元件两端的电压U和通过该元件的电流I无关；非线性电阻元件的伏安特性是一条经过坐标原点的曲线，其阻值R不是常数，即在不同的电压作用下，电阻值是不同的，常见的非线性电阻如白炽灯丝、普通二极管、稳压二极管等，它们的伏安特性如图1－1中（b）、（c）、（d）。在图1－1中，U >0的部分为正向特性，U < 0的部分为反向特性。

线性电阻的伏安特性对称于坐标原点，这种性质称为双向性，为所有线性电阻元件所具备。半导体二极管的伏安特性不但是非线性的，而且对于坐标原点来说是非对称性的，又称非双向性。这种性质为多数非线性电阻元件所具备．半导体二极管的电阻随着其端电压的大小和极性的不同而不同，当外加电压的极性和二极管的极性相同时，其电阻值很小，反之二极管的电阻值很大。半导体二极管的这一性能称为单向导电性，利用单向导电性可以把交流电变换为直流电。

绘制伏安特性曲线通常采用逐点测试法，即在不同的端电压作用下，测量出相应的电流，然后逐点绘制出伏安特性曲线，根据伏安特性曲线便可计算其电阻值。

三、实验设备

1．直流电压表、电流表各1块；

2．直流稳压电源（双路0～30V可调）1台；

3．EEL—51N单元板1块。

       4．低压导线若干。

四、实验内容及步骤

1．测定线性电阻的伏安特性

按图1－2接线，图中的电源U选用恒压源的可调稳压输出端，通过直流数字毫安表与1kΩ线性电阻相连，电阻两端的电压用直流数字电压表测量。

调节恒压源可调稳压电源的输出电压U，从0伏开始缓慢地增加（不能超过10V），在表1－1中记下相应的电压表和电流表的读数。

表1－1   线性电阻伏安特性数据

2．测定6.3V白炽灯泡的伏安特性

将图1-2中的1kΩ线性电阻换成一只6.3V的灯泡，重复1的步骤，电压不能超过6.3V（否则会烧毁灯泡），在表1－2中记下相应的电压表和电流表的读数。

表1－2  6.3V白炽灯泡伏安特性数据

3．测定半导体二极管的伏安特性

（1）测量二极管的正向特性

按图1—3接线，R为限流电阻，取200Ω（十进制可变电阻箱），二极管的型号为1N4007。测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过25mA，二极管VD的正向压降可在0～0.75V之间取值。特别是在0.5～0.75之间更应取几个测量点；将数据记入表1－3

（2）测量二极管的反向特性

测反向特性时，将可调稳压电源的输出端正、负连线互换，调节可调稳压输出电压U，从0伏开始缓慢地减少（不能超过-30V）， 将数据记入表1－4中。

表1－3    二极管正向特性实验数据

表1－4   二极管反向特性实验数据

4．测定稳压管的伏安特性

将图1—3中的二极管1N4007换成稳压管2CW51，重复实验内容3的测量，其正、反向电流不得超过±20mA，将数据分别记入表1－5和表1－6中。

表1－5   稳压管正向特性实验数据

表1－6   稳压管反向特性实验数据

五、实验注意事项

1．测量时，可调稳压电源的输出电压由0V缓慢逐渐增加，应时刻注意电压表和电流表，不能超过规定值。

2．稳压电源输出端切勿碰线短路。

3．测量中，随时注意电流表读数，及时更换电流表量程，勿使仪表超量程。

六、实验报告要求

1．根据实验数据，分别在四个直角坐标系中绘制出各个电阻的伏安特性曲线。

2．根据伏安特性曲线，计算线性电阻的电阻值，并与实际电阻值比较。

3．思考题：通过比较线性电阻与灯丝的伏安特性曲线分析这两种元件的性质有什么不同?

 

第二篇：实验十二非线性元件伏安特性的测量和研究

实验十二非线性元件伏安特性的测量和研究

实验

十二 非线性元件伏安特性的测量和研究

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。这种研究元件特性的方法称为伏安法。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。伏安法的主要用途是测量研究线性和非线性元件的电特性。

非线性电阻总是与一定的物理过程相联系，如发热、发光和能级跃迁等，江崎玲、於奈等人因研究与隧道二极管负电阻有关的现象而获得19xx年的诺贝尔物理学奖。

【实验目的】

通过实验测量普通二极管、稳压二极管和发光二极管的伏安特性，掌握非线性元件伏安特性的测量方法、基本电路、误差计算，能够给出所测量元件的特性参数（如正向、反向导通电压，反向饱和电流。击穿电压等）。

【实验仪器】

非线性元件伏安特性实验仪，其控制面板如图1所示。仪器由直流稳压电源、数字电压表、数字电流表、可变电阻器、普通二极管、稳压二极管、发光二极管、待测电阻等组成。

图1 非线性元件伏安特性实验仪控制面板

仪器的使用及注意事项

1、 在实验过程中，通过调节分压调节以及分流调节旋钮来调节待测元件两端的电压。

2、 面板的左部分电路为用来测试待测元件的正向特性；右部分电路用来测试待测元件的反向特性。

实验十二非线性元件伏安特性的测量和研究

实验十二非线性元件伏安特性的测量和研究

实验十二非线性元件伏安特性的测量和研究

实验十二非线性元件伏安特性的测量和研究

2、测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验

a 按照图7a将稳压二极管连接到正向伏安特性测量电路中。

b 电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始有正向电流时即用电压微调调节电压(另加分压保护电阻R2)，正向电流达到10mA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。

c按照图7b将稳压二极管连接到反向伏安特性测量电路中。

d测反向击穿特性（稳压特性），实验数据不能少于10个，测出反向电流达10mA时稳压二极管的反向击穿电压（稳定电压）。并用伏安法求出稳压二极管的动态电阻，说明动态电阻的大小对稳压特性的影响。在作图纸上描出反向伏安特性曲线。

3、测量发光二极管的正向伏安特性

a 按照图7a将一个发光二极管（红、黄、绿三种发光二极管其中的一个）连接到正向伏安特性测量电路中。

b电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始有正向电流时即用电压微调调节电压(另加分压保护电阻R2)，记下它们导通电压（点亮电压），正向电流达到10mA时结束(正向电流最大不能超过20mA，否则LED可能烧坏)。要求数据点不得少于20个，在作图纸上描出正向伏安特性曲线。

c更换一个发光二极管重复上述实验，得出该发光二极管的正向伏安特性。

d分别根据红、黄、绿、三种发光二极管的导通电压估算出它们的峰值波长。

【思考题】

1. 为什么测量稳压二极管时正、反向特性时电压表的接法不同？为什么选择的保护电阻Rx2和Rx4的值也不一样？

2. 什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？

3. PN结正向伏安特性曲线的函数形式可能是什么类型？写出其标准形式。从实验数据求出二极管（PN结）I-U关系的经验公式。

4. 设计一种方法，判断红、绿、蓝三基色发光二极管各自发光的波长范围。

【预习要求】

1. 熟悉仪器的使用方法。

2. 熟悉非线性元件伏安特性的测量方法，熟悉正向导通阈值电压、击穿电压、峰值波长等的测量和计算方法。

3. 熟悉测量步骤。

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