非線性原件的伏安特性測量

非線性原件的伏安特性測量第1頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四【實驗目的】學習測量非線性元件的伏安特性，了解進行伏安法測量時兩種電表的連接方法和接入誤差

；學習用數(shù)字萬用電表測量二極管的伏安特性；了解二極管的單向?qū)щ娦院头€(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性；了解白熾燈的伏安特性第2頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四【實驗儀器】直流穩(wěn)壓電源（干電池），變阻器，電阻箱，二極管，穩(wěn)壓二極管，小白熾燈泡，數(shù)字萬用電表第3頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四【實驗原理】1、伏安特性 給一個元件通以直流電，用電壓表測出元件兩端的電壓，用電流表測出通過元器件的電流。通常以電壓為橫坐標、電流為縱坐標，畫出該元件電流和電壓的關(guān)系曲線，稱為該元件的伏安特性曲線。由伏安特性曲線可以很直觀的發(fā)現(xiàn)元件的電學特性。伏安特性曲線為直線的元件稱為線性元件，如電阻；伏安特性曲線為非直線的元件稱為非線性元件，如二極管、三極管等。

第4頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四線性元件的伏安特性曲線非線性元件的伏安特性曲線第5頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)歐姆定律，電阻R、電壓U、電流I,有如下關(guān)系：R=U/I由電壓表和電流表的示值U和I計算可得到待測元件Rx的阻值。 非線性元件的電阻有兩種方法表示，一種稱為靜態(tài)電阻（或稱為直流電阻），用RD表示；另一種稱為動態(tài)電阻用rD表示，它等于工作點附近的電壓改變量與電流改變量之比。動態(tài)電阻可通過伏安曲線求出，如圖所示，圖中Q點的靜態(tài)電阻RD=UQ/IQ,動態(tài)電阻rD=dU/dI。

IQ0UQQIUUI第6頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四2．電表連接方法和接入誤差

測量伏安特性時電表連接方法有兩種：電流表外接（圖b）和電流表內(nèi)接（圖a）。第7頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四由于電表內(nèi)阻的影響，這兩種接法都會引進一定的系統(tǒng)誤差。當電流表內(nèi)接時，系統(tǒng)誤差為RA/RX,當電流表外接時，為Rx/(Rx+Rv)使用電流表內(nèi)接時，會使Rx比實測值偏大，修正值為：RX＝U/I-RA；使用電流表外接時，會使Rx比實測值偏小,修正值為RX

＝1/(I/U-1/RV)。在測量小電阻，且電壓表內(nèi)阻遠大于Rx時，常采用電流表外接；在測量大電阻，且電流表內(nèi)阻遠小于Rx時，常采用電流表內(nèi)接。

伏安法計算電阻帶來的誤差第8頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四3二極管普通二極管發(fā)光二極管貼片二極管半導體二極管是一種常用的非線性元件,由P型、N型半導體材料制成PN結(jié)，經(jīng)歐姆接觸引出電極，封裝而成。

第9頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四二極管特性二極管的主要特點是單向?qū)щ娦?，電流從正極流入，負極流出。二極管是一個非線性元件

。二極管的主要參數(shù)：UD稱為正向?qū)ㄩ撝惦妷篣B為反向擊穿電壓最大整流電流If,即二極管正常工作時允許通過的最大正向平均電流；最大反向電壓UBr,一般為反向擊穿電壓的一半；反向電流Ir是反向飽和電流IS的額定值。第10頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四PN節(jié)的伏安特性 由半導體物理可知，PN結(jié)是一個非線性元件，PN結(jié)的正向電流—電壓的關(guān)系滿足

I=Is[eqU/ｋT-1]（1）

I是通過PN結(jié)的正向電流，U為PN結(jié)正向壓降，Is是反向飽和電流為常數(shù)，q是電子的電荷量，k玻耳茲曼常數(shù)，T是熱力學溫度。

q=1.60210庫侖；

k=1.3810焦耳／開；

T=273.15+t℃； 在室溫下eeU/kT>>1,則Ｉ=IseqU/kT,即PN結(jié)正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化。第11頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四4、穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是一種特殊的硅二極管。 與一般二極管不同，普通二極管擊穿后電流急劇增大。穩(wěn)壓二極管的反向擊穿是可逆的，去掉反向電壓，穩(wěn)壓管又恢復正常。

第12頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四穩(wěn)壓管常用在穩(wěn)壓、恒流等電路中。第13頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四5.測量小白熾燈泡的伏安特性曲線白熾燈是日常生活中經(jīng)常使用的光源之一，由金屬鎢絲制成燈絲，因此也常稱做鎢絲燈。當電流通過時，燈絲發(fā)熱而發(fā)光。在工作時，其燈絲電阻隨著溫度的升高而增大。通過白熾燈的電流越大，其溫度越高，阻值也越大．一般燈泡的“冷電阻”與“熱電阻”的阻值可相差幾倍至十幾倍。白熾燈的種類很多，實驗中使用的小燈泡是常用做手電筒的光源（其工作條件是12V，0.3A）。在一定電流范圍內(nèi)，小燈泡的電壓與電流的關(guān)系為

U＝KIn

（2） 式中K和n是與燈泡有關(guān)的系數(shù)。第14頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四滑線變阻器的制流電路制流電路

制流曲線

K=RL/R0

第15頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四分壓電路

分壓曲線

K=RL/R0

滑線變阻器的分壓電路第16頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四【實驗內(nèi)容及要求】圖4二極管伏安特性測量原理圖電表參數(shù)：2V檔，200mA檔。圖5小燈泡伏安特性測量原理圖電表參數(shù)：12V檔，200mA檔。第17頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四

1）按照圖4將普通二極管連接到測量電路中。

2）電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電流，當開始有正向電流時，開始記錄電壓電流數(shù)據(jù)，正向電流達到20mA時實驗結(jié)束，這里要求實驗數(shù)據(jù)不能少于20個。記錄I-U關(guān)系數(shù)據(jù)，在作圖紙上描出正向伏安特性曲線。

說明：由于普通二極管的反向擊穿電壓一般很大（約100V左右），遠遠超出了安全電壓的范圍，因而實驗中不需要測量普通二極管的反向伏安特性。1、測量普通二極管的正向伏安特性實驗第18頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四1）按照圖4將穩(wěn)壓二極管連接到測量電路中。2）電壓從最小開始調(diào)節(jié)，觀察正向電流，當開始有正向電流時，開始記錄電壓電流數(shù)據(jù)，正向電流達到20mA時結(jié)束，這里要求實驗數(shù)據(jù)不能少于20個。在作圖紙上描出正向伏安特性曲線。利用伏安特性曲線求出正向?qū)ㄩ撝惦妷骸?、測量穩(wěn)壓二極管的正向、反向伏安特性實驗第19頁，共21頁，2023年，2月20日，星期四3）按照圖4將穩(wěn)壓二極管反向連接到測量電路中。4）實驗數(shù)據(jù)不能少于10個，測出反向電流達20mA時穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓（穩(wěn)定電壓）。在作圖紙上描出反向伏安特性曲