电路实验示波器

实验4.1 元件的伏安特性测量4.1.1实验目的1．加深对电路元件伏安特性概念的理解，掌握实验室测量元件的伏安特性的测试方法。

掌握电源外特性的测试方法。

2．验证电压源与电流源等效变换的条件。

3. 掌握电工综合实验装置上直流电工仪表和器件的使用方法。

4.1.2 实验任务4.1.2.1基本实验1．完成图4-1-1a 所示电路的线性电阻1K Ω伏安特性的测量。

图4-1-1 线性电阻的伏安特性测试图2．完成图4-1-2 所示2CW51稳压二极管的伏安特性的测量。

a) b)图4-1-2稳压二极管的伏安特性测试图a) 正向曲线测试图 b) 反向曲线测试图3．完成图4-1-3所示实际电压源伏安特性的测量。

R L 1k Ω + _ U S mA _ + V + _ D Z R + _ V mA _ + + U S 510Ω 图4-1-3 实际电压源的伏安特性测试图 _ + V + D Z _ +U S mA R510Ω 图4-1-4 实际电流源的伏安特性测试图 R L 510Ω _ V + _mA _ + 1k Ω I S R S + 10mA 220Ω R L + _ U S R O mA _ + 6V1k Ω V + _图4-1-5 元件的伏安特性曲线i /A o u /V o u /V i /A a) 线性电阻 b) 稳压二极管4．完成图4-1-4所示实际电流源伏安特性的测量。

4.1.2.2扩展实验验证图4-1-3实际电压源等效变换条件的正确性，并画出它的等效电路图。

4.1.3实验设备1．电压源(0.0~30V/1A) 一套2．电流源(0.0~200mA) 一套3．电位器(1kΩ/5W)和十进制可调电阻(0~99999.9Ω/2W) 各一套4．稳压二极管(2CW51) 一个5．直流电压表(0~200V) 或数字万用表 一只6．直流毫安表(0~2000mA) 一只7．细导线 若干4.1.4 实验原理电路元件两端的电压u 与通过该元件的电流i 之间的函数关系u =f (i )或i =f (u ),称为元件的伏安特性。

电源的端电压与输出电流之间的关系，称为电源的伏安特性，也称为电源的外特性。

1．当电阻的阻值随着两端的电压或通过它的电流变化时，其阻值不变，这种电阻称为线性电阻元件，它的伏安特性如图4-1-5a 所示。

它在u -i 平面上是一条通过原点的直线。

它的特性曲线各点斜率与元件电压、电流的大小和方向无关，所以线性电阻元件是双向性元件。

2．电阻的阻值随着两端的电压或随着通过的电流变化而变化的元件称为非线性元件。

稳压二极管可被看作为非线性元件，它的伏安特性如图4-1-5b 所示。

它在u -i 平面上是一条曲线。

它的电阻值不仅随着流过它的电流大小而变化，而且还随着电流的方向不同而有很大的不同。

它是非双向性元件。

它的正向压降很小（一般的锗管约为0.2～0.3V ，硅管约为0.6～0.8V ），正向电流随正向压降的升高而急骤上升。

而反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当电压增加到击穿电压时，反向电流将突然剧增，以后它的端电压将基本维持恒定，当外加的反向电压继续升高时其端电压仅有少量增加。

注意：流过二极管或稳压二极管的电流不能超过管子的极限值，否则管子会被烧坏。

a) b) a) b) － _ u R O i ＋ U S ＋ 理想电压源 a i u 源 电 I S =U S /R O U S 压 o b 图4-1-6 电压源及伏安特性3．电压源内阻R 0=0是理想电压源，其电压与输出电流的大小无关，它的外特性曲线如图4-1-6b 中虚线a 所示。

实际电压源可用一个理想电压源和一个内阻R 0相串联的电路符号来表示，如图4-1-6a 所示，它的外特性曲线如图4-1-6b 中曲线b 所示。

4．电流源内阻R 0=∞是理想电流源，其电流与电源端电压的大小无关，它的外特性曲线如图4-1-7b 中虚线a 所示。

实际电流源可用一个理想电流源和一个电阻R 0相并联的电路符号来表示，如图4-1-7a 所示，它的外特性曲线如图4-1-7b 中曲线b 所示。

5．实际电压源、电流源的外特性曲线是相同的，因此，图4-1-6a 和图4-1-7a 相互间是等效的，可以等效变换。

它们的等效变换的条件是:I S =U S /R 0，或U S =I S R 0 。

4.1.5 预习提示1．什么叫电路元件的伏安特性？什么叫电路电源的外特性？2. 稳压二极管与普通二极管有何区别？3．上述三个基本实验任务的电路有什么不同？通过改变电路的相关参数来观察伏安特性的变化趋势的方法和结果有哪些相同和不同点？4．负载R L =∞，是怎么实现的？5. 由于直流电压表的内阻不是无限大、直流毫安表的内阻不为零，为减少测量带来一定的系统误差，电流表外接法和电流表内接法的接线方式分别适合于测量阻值较大的电阻器还是阻值较小的电阻器？6. 实际电压源、电流源的等效变换的条件是什么？4.1.6 实验步骤1．开机操作（1）将电工台上的钥匙式总开关置于“开”位置,此时红色按钮亮，表示380V 电源进入装置。

(3只表示三相交流电源正常的的黄、绿、红发光管亮，通过“电压指示开关”切换，观察柜面上三个线电压表，了解此时三相电源电压情况。

)（2）按下绿色 “启动”按钮，绿灯亮，红灯灭。

(实验所需交、直流电源设备，均需通过“启动”后对它们进行供电。

)2．电压源操作打开电压源开关，指示灯亮。

该电压源有两路输出，通过琴键开关，选择U A 路输出或选择U B 路输出. 通过“输出调节”旋钮，可在输出端输出0.0～30V 连续a) b) 图4-1-7 电流源及伏安特性 u _ i + _ + I S R O o 理想电流源 a I S电 流 源 u b i I S R 0可调的直流电压，接线时注意极性。

3．电流源操作打开电流源开关，指示灯亮。

调节“输出粗调”量程旋钮，可在2mA、20mA、200mA三档进行选择。

通过“输出细调”量程旋钮可在输出端输出0.0～200mA连续可调的直流电流，调节时可先用导线将电流源输出端短路后再进行操作。

接线时注意极性。

4．直流电压表操作（1）将“+、–”两端并接在被测电路中（注意极性）。

对标有量程的三档琴键开关进行操作，完成量程的选择，并按下红色琴键。

(2）当被测值超出量程时，仪表将发出报警信号，此时告警指示灯亮，蜂鸣器发出告警信号，接触器跳闸，切断总电源，红色“停止”按钮亮。

（处理方法:应立即按下白色“复位”按钮,切断告警回路。

在排除故障后重新按下绿色“启动”按钮。

）5．直流毫安表操作（1）将“+、–”两端串接在被测电路中（注意极性）。

直流毫安表共有四档量程。

2mA、20mA（均通过0～20mA红色输出端子输出）、200mA、2000mA（均通过20mA～2000mA蓝色输出端子输出）。

根据需要确定输出端子，选择相对应的标有量程的琴键开关进行操作，完成量程的选择，并按下红色琴键。

(2）同样，直流毫安表也有报警保护。

操作方法与直流电压表相同。

6．完成图4-1-1所示电路的线性电阻1KΩ伏安特性的测量（1）按图4-1-1所示电路联接线路。

按电工台“开机操作”程序操作。

（2）电阻正向伏安特性的测量。

开启电压源，并调节电压源的输出电压U S，使得直流电压表示数，即电阻两端电压U R从0 V开始缓慢地增加直至10V，记录相应的电压U R和电流表I的读数于表4-1-1中。

关闭电压源。

（3）电阻反向伏安特性的测量。

将电阻R的两根线对调，即在电阻R上加一个反向电压，重复步骤（2），记录表4-1-1中。

关闭电压源。

画出线性电阻的伏安特性曲线。

表4-1-1 线性电阻伏安特性测试表正向U R /V（实测值）0.0 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 I/mA（实测值）R平均= U R/I反向U R /V（实测值）0.00 -2.00 -4.00 -6.00 -8.00 -10.00 I/mA（实测值）R平均= U R/I7．完成图4-1-2所示2CW51稳压二极管的伏安特性的测量（1）稳压二极管的正向伏安特性的测量。

按图4-1-2a 所示电路联接线路。

R 为限流电阻器。

开启电压源，并调节电压源的输出电压U S ，使得直流电压表示数，即稳压二极管D Z 的正向电压U Z+可在0～0.8V 之间变化，并记录对应的电流表I 的读数于表4-1-2中。

关闭电压源。

（2）稳压二极管的反向伏安特性的测量。

将图4-1-2b 所示电路中的稳压管2CW51反接，测量2CW51的反向特性。

重复步骤（1），注意电压源的输出电压U S 应从0～30V 变化时，电流表的量程的切换，将测量2CW51两端的反向电压U Z －及对应的电流I 记录于表4-1-2中，由U Z －可看出其稳压特性。

关闭电压源，拆除线路。

画出稳压二极管的伏安特性曲线。

表4-1-2 稳压二极管伏安特性测试表 正向 U Z+ /V 0.200.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.74 0.75 0.76 0.8 I /mA反向 U Z －/V -0.1-2.5 -2.8 -3 -3.2 -3.3 -3.4 -3.45 -3.5 -3.6 I /mA8．完成图4-1-3所示实际电压源伏安特性的测量（1）开启电压源，并将其输出电压调为直流电压表的示数为6V ，关闭电压源。

（2）按图4-1-3所示电路联接线路，1 kΩ可调电阻作为负载R L 。

开启电压源，将负载短路，读出负载R L 的短路电流I sc 和电压U (≈0)，记录于表4-1-3中。

（3）断开负载R L 的一端，即使得R L =∞，测得负载开路电压U oc 和电流I (≈0)，记录于表4-1-3中。

（4）将负载R L 调至最大值(约1k Ω)，测出对应的U 和I 。

在R L =0和R L =1 k Ω值之间对应的电流I sc 和R L 最大值时对应的I 之间均匀的等差取值填入表4-1-3中，以该电流为参照，通过调节R L ，测出相对应的电压的值，记录于表4-1-3中。

关闭电压源。

画出实际电压源伏安特性曲线。

表4-1-3 实际电压源伏安特性测试表 R L /0 1 k Ω ∞ I /mA （实测值）I SC U L /V (实测值)U OC I SC 和U OC 理论值I SC 理论 U OC 理论 I SC 和U OC 误差计算9．完成图4-1-4所示实际电流源伏安特性的测量 (实验方法参照步骤8) 。

记录完毕后，按下红色“停止”按钮，红灯亮，绿灯灭。

拆除线路。

将钥匙式总开关置于“关”位置,此时红色按钮灭。

实验结束。

10. 实验的注意事项：(1）因为稳压二极管是非线性元件，测试时要注意伏安曲线拐弯处（电流值发生快速变化的地方）的取点应密一些。