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1、测量非线性元件的测量非线性元件的伏安特性伏安特性南京理工大学物理实验中心南京理工大学物理实验中心【实验目的实验目的】1.学习测量非线性元件的伏安特性，了解进行伏安法测学习测量非线性元件的伏安特性，了解进行伏安法测量时两种电表的连接方法和接入误差量时两种电表的连接方法和接入误差；2.学习用数字万用电表测量二极管的伏安特性；学习用数字万用电表测量二极管的伏安特性；3.了解二极管的单向导电性和稳压二极管的稳压特性；了解二极管的单向导电性和稳压二极管的稳压特性；4.了解白炽灯的伏安特性了解白炽灯的伏安特性【实验仪器实验仪器】直流稳压电源（干电池），变阻器，直流稳压电源（干电池），变阻器，电阻箱，二极管
2、，稳压二极管，小白炽灯电阻箱，二极管，稳压二极管，小白炽灯泡，数字万用电表泡，数字万用电表【实验原理实验原理】1、伏安特性伏安特性 给一个元件通以直流电，用电压表测出元件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。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，称为该元件的伏元件电流和电压的关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。由伏安特性曲线可以很直观的发安特性曲线。由伏安特性曲线可以很直观的发现元件的电学特性。现元件的电学特性。伏安特性曲线为直线的元件称为线性
3、元件，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如电阻；伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件，线性元件，如二极管、三极管等。如二极管、三极管等。线性元件的伏安特性曲线线性元件的伏安特性曲线 非线性元件的伏安特性曲线非线性元件的伏安特性曲线 根根据据欧欧姆姆定定律律，电电阻阻R、电电压压U、电流电流I,有如下关系：有如下关系：R=U/I 由电压表和电流表的示值由电压表和电流表的示值U和和I计算可得到待测元件计算可得到待测元件Rx的阻值。的阻值。非线性元件的电阻有两种方法非线性元件的电阻有两种方法表示，一种称为静态电阻（或称为表示，一种称为静态电阻（或称为直
4、流电阻），用直流电阻），用RD表示；另一种表示；另一种称为动态电阻用称为动态电阻用rD表示，它等于工表示，它等于工作点附近的电压改变量与电流改变作点附近的电压改变量与电流改变量之比。动态电阻可通过伏安曲线量之比。动态电阻可通过伏安曲线求出，如图所示，图中求出，如图所示，图中Q点的静态点的静态电阻电阻RD=UQ/IQ,动态电阻动态电阻rD=dU/dI。2电表连接方法和接入误差电表连接方法和接入误差 测量伏安特性时电表连接方法有两种：电流测量伏安特性时电表连接方法有两种：电流表外接（图表外接（图b）和电流表内接（图）和电流表内接（图a）。由于电表内阻的影响，这两种接法都会引进一定由于电表内阻的影响
5、，这两种接法都会引进一定的系统误差。当电流表内接时，系统误差为的系统误差。当电流表内接时，系统误差为RA/RX,当电流表外接时，为当电流表外接时，为Rx/(Rx+Rv)使用电流表内接时，会使使用电流表内接时，会使Rx比实测值偏大，修比实测值偏大，修正值为：正值为：RXU/I-RA；使用电流表外接时，会使；使用电流表外接时，会使Rx比实测值偏小比实测值偏小,修正值为修正值为RX 1/(I/U-1/RV)。在测量小电阻，且电压表内阻远大于在测量小电阻，且电压表内阻远大于Rx时，常时，常采用电流表外接；在测量大电阻，且电流表内阻采用电流表外接；在测量大电阻，且电流表内阻远小于远小于Rx时，常采用电流
6、表内接。时，常采用电流表内接。伏安法计算电阻带来的误差伏安法计算电阻带来的误差3 二极管 普通二极管普通二极管 发光二极管发光二极管 贴片二极管贴片二极管 半导体二极管是一种常用的非半导体二极管是一种常用的非线性元件线性元件,由由P型、型、N型半导体材料型半导体材料制成制成PN结，经欧姆接触引出电极，结，经欧姆接触引出电极，封装而成。封装而成。二极管特性 二极管的主要特点是单向二极管的主要特点是单向导电性，电流从正极流入，负导电性，电流从正极流入，负极流出。极流出。二极管是一个非线性二极管是一个非线性元件元件。二极管的主要参数：二极管的主要参数：UD称为正向导通阈值电压称为正向导通阈值电压 U
7、B为反向击穿电压为反向击穿电压最大整流电流最大整流电流If,即二极管正常即二极管正常工作时允许通过的最大正向平工作时允许通过的最大正向平均电流；均电流；最大反向电压最大反向电压UBr,一般为反向一般为反向击穿电压的一半；击穿电压的一半；反向电流反向电流Ir是反向饱和电流是反向饱和电流IS的的额定值。额定值。PN节的伏安特性由半导体物理可知，由半导体物理可知，PN结是一个非线性元件，结是一个非线性元件，PN结的正向电流结的正向电流电压的关系满足电压的关系满足 I=Is eqU/T-1 （1）I是通过是通过PN结的正向电流，结的正向电流，U为为PN结正向压降，结正向压降，Is是反向饱和电流为常数，
8、是反向饱和电流为常数，q是电子的电荷量，是电子的电荷量，k玻玻耳兹曼常数，耳兹曼常数，T是热力学温度。是热力学温度。q=1.60210库仑；库仑；k=1.3810焦耳开；焦耳开；T=273.15+t；在室温下在室温下eeU/kT1,则则=Is eqU/kT,即即PN结正向电结正向电流随正向电压按指数规律变化。流随正向电压按指数规律变化。4、稳压二极管、稳压二极管稳压二极管是一种稳压二极管是一种特殊的硅二极管。特殊的硅二极管。与一般二极管不同，与一般二极管不同，普通二极管击穿后电普通二极管击穿后电流急剧增大。稳压二流急剧增大。稳压二极管的反向击穿是可极管的反向击穿是可逆的，去掉反向电压，逆的，去
9、掉反向电压，稳压管又恢复正常稳压管又恢复正常。稳压管常用在稳压、恒流等电路中。稳压管常用在稳压、恒流等电路中。5.测量小白炽灯泡的伏安特性曲线白炽灯是日常生活中经常使用的光源之一，由金属白炽灯是日常生活中经常使用的光源之一，由金属钨丝制成灯丝，因此也常称做钨丝灯。当电流通过钨丝制成灯丝，因此也常称做钨丝灯。当电流通过时，灯丝发热而发光。在工作时，其灯丝电阻随着时，灯丝发热而发光。在工作时，其灯丝电阻随着温度的升高而增大。通过白炽灯的电流越大，其温温度的升高而增大。通过白炽灯的电流越大，其温度越高，阻值也越大一般灯泡的度越高，阻值也越大一般灯泡的“冷电阻冷电阻”与与“热电阻热电阻”的阻值可相差几
10、倍至十几倍的阻值可相差几倍至十几倍。白炽灯的种类很多，实验中使用的小灯泡是常用做白炽灯的种类很多，实验中使用的小灯泡是常用做手电筒的光源（其工作条件是手电筒的光源（其工作条件是12V，0.3 A）。在）。在一定电流范围内，小灯泡的电压与电流的关系为一定电流范围内，小灯泡的电压与电流的关系为 UKIn （2）式中式中K和和n是与灯泡有关的系数。是与灯泡有关的系数。滑线变阻器的制流电路制流电路制流电路 制流曲线制流曲线 K=RL/R0 分压电路分压电路 分压曲线分压曲线 K=RL/R0 滑线变阻器的分压电路【实验内容及要求实验内容及要求】图4 二极管伏安特性测量原理图电表参数：2V档，200mA档
11、。图5 小灯泡伏安特性测量原理图电表参数：12V档，200mA档。1）按照图按照图4将普通二极管连接到测量电路中。将普通二极管连接到测量电路中。2）电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始）电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始有正向电流时，开始记录电压电流数据，正向电有正向电流时，开始记录电压电流数据，正向电流达到流达到20mA时实验结束，这里要求实验数据不时实验结束，这里要求实验数据不能少于能少于20个。记录个。记录I-U关系数据，在作图纸上描出关系数据，在作图纸上描出正向伏安特性曲线。正向伏安特性曲线。说明：由于普通二极管的反向击穿电压一般很大（约说明：由于普通二极管的反向击穿电压一般
12、很大（约100V左右），远左右），远远超出了安全电压的范围，因而实验中不需要测量普通二极管的反向远超出了安全电压的范围，因而实验中不需要测量普通二极管的反向伏安特性。伏安特性。1、测量普通二极管的正向伏安特性实验、测量普通二极管的正向伏安特性实验1）按照图）按照图4将稳压二极管连接到测量电路中。将稳压二极管连接到测量电路中。2）电压从最小开始调节，观察正向电流，当）电压从最小开始调节，观察正向电流，当开始有正向电流时，开始记录电压电流数据，开始有正向电流时，开始记录电压电流数据，正向电流达到正向电流达到20mA时结束，这里要求实验时结束，这里要求实验数据不能少于数据不能少于20个。在作图纸上描
13、出正向伏个。在作图纸上描出正向伏安特性曲线。安特性曲线。利用伏安特性曲线求出正向导通阈值电压。利用伏安特性曲线求出正向导通阈值电压。2、测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验、测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验3）按照图）按照图4将稳压二极管反向连接到测量电将稳压二极管反向连接到测量电路中。路中。4）实验数据不能少于）实验数据不能少于10个，测出反向电流达个，测出反向电流达20mA时稳压二极管的反向击穿电压（稳定时稳压二极管的反向击穿电压（稳定电压）。在作图纸上描出反向伏安特性曲电压）。在作图纸上描出反向伏安特性曲线。线。求出稳压二极管的稳压值。求出稳压二极管的稳压值。3、测量小灯泡的伏安特性曲线（a）设计电路并测量小灯泡的伏安特性曲线；）设计电路并测量小灯泡的伏安特性曲线；（b）验证式（）验证式（2）；）；（c）求系数）求系数 K和和 n；（d）求出室温）求出室温25oC下的灯丝电阻。下的灯丝电阻。