实验六非线性伏安特性曲线的研究.docx

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实验六非线性伏安特性曲线的研究

实验六非线性伏安特性曲线的研究

【实验目的】

1、熟悉电学基本仪器使用方法，电路的连接，仪器的选择；

2、通过电阻元件、半导体二极管、钨丝灯泡等电学元件的伏安特性测量。

学会合理配接电压表和电流表，才能使测量误差最小，初步学习实验方案设计。

3、掌握电子元件非线性特点，熟悉掌握电子元件伏安特性的测试技巧；

4、学会用作图法处理实验数据。

【实验仪器】

　　DH6102型伏安特性实验仪

【实验原理】

当一个元件两端加上电压，元件内有电流通过时，若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例，则伏安特性曲线为一条直线，这类元件称为线性元件。

若元件两端的电压与通过它的电流不成比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。

根据欧姆定律，电阻R、电压U、电流I,有如下关系：

（3-6-1）

由电压表和电流表的示值U和I计算可得到待测元件Rx的阻值。

但非线性元件的R是一个变量，因此分析它的阻值必须指出其工作电压（或电流）。

非线性元件的电阻有两种方法表示，一种称为静态电阻（或称为直流电阻），用

表示；另一种称为动态电阻用

表示，它等于工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求出，如图3所示，图中Q点的静态电阻

动态电阻

。

图3-6-1非线性元件的伏安特性曲线

测量伏安特性时，受电压表、电流表内阻接入影响会引入一定的系统误差，通常采用图七所示的两种线路。

图5（a）为电流表的内接法，图5（b）为电流表的外接法。

A

RR

AA

V

VV

（a）内接法（b）外接法

图3-6-2测电阻的线路

但是，由于电表有内阻，无论采用内接法还是外接法，均会给测量带来系统误差。

当R＞

时，用内接法系统误差小。

当R＜

时，用外接法系统误差小。

当R=

时，两种接法可任意选用。

因此，通常只在对电阻值的测量精确度要求不高时，才使用伏安法，并且还要根据电表的内阻RA、RV和待测电阻值的大小来合理选择测量线路。

测定元件的伏安特性曲线与测量元件的电阻一样，也存在着用电流表内接还是外接的问题，我们也应根据待测元件电阻的大小，适当地选择电表和接法，减小系统误差，使测出的伏安特性曲线尽可能符合实际。

1、半导体二极管

半导体二极管是一种常用的非线性元件,由P型、N型半导体材料制成PN结，经欧姆接触引出电极，封装而成。

在电路中用图3-6-3（a）符号表示，两个电极分别为正极、负极。

二极管的主要特点是单向导电性，其伏安特性曲线如图3-6-3（b）所示，其特点是：

在正向电流和反向电压较小时，电流较小，当正向电压加大到某一数值UD时，正向电流明显增大，将此段直线反向延长与横轴向交，交点UD称为正向导通阈值电压。

正向导通后，锗管的正向电压降为0.2-0.3V,硅管为0.6-0.8V。

在反向电压较大时，电流趋近极限值-Is,Is为反向饱和电流；在反向电压超过某一数值-Ub时，电流急剧增大，这种情况称为击穿，Ub为击穿电压。

图3-6-3（b）图3-6-4（b）

图3-6-3，图3-6-4普通二极管和稳压二极管的符号（a）和伏安特性（b）

二极管的主要参数：

最大整流电流If,即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流；最大反向电压Ub,一般为反向击穿电压的一半；反向电流Ir是反向饱和电流的额定值。

由于二极管具有单向导电性，它在电子电路中得到了广泛应用，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。

2、稳压二极管

稳压二极管是一种特殊的硅二极管,表示符号如图5（a）;其伏安特性曲线如图5（b），在反向击穿区一个很宽的电流区间，伏安曲线徒直，此直线反向与横轴相交于Uw。

与一般二极管不同，普通二极管击穿后电流急剧增大，电流超过极限值-Is，二极管被烧毁。

稳压二极管的反向击穿是可逆的，去掉反向电压，稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，稳压管同样会因热击穿而烧毁。

故正常工作时要根据稳压二极管的允许工作电流来设定其工作电流。

稳压管常用在稳压、恒流等电路中。

稳压管的主要参数：

稳定电压Uw、动态电阻rD（rD越小,稳压性能越好）、最小稳压电流Imin、最大稳压电流Imax、最大耗散功率Pmax。

2CW56属硅半导体稳压二极管，其正向伏安特性类似于1N4007型二极管，其反向特性变化甚大。

当2CW56二端电压反向偏置，其电阻值很大，反向电流极小，据手册资料称其值≤0.5

。

随着反向偏置电压的进一步增加，大约到7－8.8V时，出现了反向击穿（有意掺杂而成），产生雪崩效应，其电流迅速增加，电压稍许变化，将引起电流巨大变化。

只要在线路中，对“雪崩”产生的电流进行有效的限流措施，其电流有小许一些变化，二极管二端电压仍然是稳定的（变化很小）。

这就是稳压二极管的使用基础，

3、钨丝灯特性描述

实验仪用灯泡中钨丝和家用白织灯泡中钨丝同属一种材料，但丝的粗细和长短不同，就做成了不同规格的灯泡。

只要控制好两端电压，使用就是安全的，金属钨的电阻温度系数为48×10-4/℃，系正温度系数，当灯泡两端施加电压后，钨丝上就有电流流过，产生功耗，灯丝温度上升，致使灯泡电阻增加。

灯泡不加电时电阻称为冷态电阻。

施加额定电压时测得的电阻称为热态电阻。

由于正温度系数的关系，冷态电阻小于热态电阻。

在一定的电流范围内，电压和电流的关系为：

6－1

式中U—灯泡二端电压，

I—灯泡流过的电流，

K—与灯泡有关的常数

N—与灯泡有关的常数

为了求得常数K和n，可以通过二次测量所得U1、I1和U2、I2，得到：

6－2

6－3

将4－2除以4－3式可得

6－4

将4－4式代入4－2式可以得到：

6－5

【实验内容】

仪器介绍

3

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如图

直流稳压电源

输出电压：

0～15V，负载电流：

0～0.2A；输出电压可调节，粗调、细调配合使用

可变电阻箱结构

1.电路结构

可变电阻箱由（0～10）×1000Ω，（0～10）×100Ω和（0～10）×10Ω三位可变电阻开关盘构成，在电路原理图如下图1

图1变阻器电路结构图

2.技术指标

1）电阻变化范围：

0～11100Ω，最小步进10Ω；精度：

1%

2）电阻的功耗值：

×1000Ω，0.5W；×100Ω，1W；×10Ω，5W。

3．作用

1）作变阻器用；

2）构成变阻输入式分压箱，分压工作电流可变。

数字电表参数

表1：

电压量程和对应的电压表内阻值

电压表量程

2V

20V

电压表内阻

1MΩ

10MΩ

测量精度

0.2%

0.2%

表2：

电流表量程及所对应内阻

电流表量程

2mA

20mA

200mA

电流表内阻

100Ω

10Ω

1Ω

测量精度

0.5%

0.5%

0.5%

电子元件参数

1）二极管，最高反向峰值电压13V，正向最大电流≤0.2A（正向压降0.8V）

2）稳压管2CW56：

稳定电压7－8.8V，最大工作电流27mA，工作电流5mA时动态电阻为15Ω，正向压降≤1V。

3）钨丝灯泡：

冷态电阻为10Ω左右（室温下），12V0.1A时热态电阻80Ω左右，安全电压≤13V。

【实验内容及步骤】

1、二极管特性测试电路

测量之前，先记录所用晶体管的型号和主要参数（即最大正向电流和最大反向电压），再判别晶体管的正、负极。

1）反向特性测试电路

二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。

测试电路如下图，变阻器设置700Ω

图2－3二极管反向特性测试电路

2）正向特性测试电路

二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。

电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置700

，调节电源电压，以得到所需电流值。

图2－4二极管正向特性测试电路

注：

1）、电阻修正值按电流表外接修正公式1－3式计算所得。

2）、实验时二极管正向电流不得超过20mA。

2、稳压二极管特性测试电路

2CW56反向偏置0～7V左右时阻抗很大，拟采用电流表内接测试电路为宜；反向偏置电压进入击穿段，稳压二极管内阻较小（估计为R=

=1K

），这时拟采用电流表外

接测试电路。

测试电路如图3-2

图3－2稳压二极管反向伏安特性测试电路

电源电压调至零，按图3－2接线，开始按电流表内接法，将电压表＋端接于电流表＋端；变阻器旋到1100

后，慢慢地增加电源电压，记下电压表对应数据。

当观察到电流开始增加，并有迅速加快表现时，说明2CW56已开始进入反向击穿过程，这时将电流表改为外接式，按表3－1继续慢慢地将电源电压增加至10V。

为了继续增加2CW56工作电流，可以逐步地减少变阻器电阻，为了得到整数电流值，可以辅助微调电源电压。

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、钨丝灯伏安特性的测试

灯泡电阻在端电压12V范围内，大约为几欧到一百多欧姆，电压表在20V档内阻为1MΩ，远大于灯泡电阻，而电流表在200mA档时内阻为10

或1

（因万用表不同而不同），和灯泡电阻相比，小的不多，宜采用电流表外接法测量，电路图见4－1。

变阻器置100

，按表4－1规定的过程，逐步增加电源电压，记下相应的电流表数据。

图4－1钨丝灯泡伏安特性测试电路

【注意事项】

1．测半导体二极管的正向伏安特性时，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值。

2．测半导体二极管反向伏安特性时，加在半导体管上的电压不得超过管子允许的最大反向电压。

此实验选用的半导体二极管IN4007的最大反向电压比较高，所以半导体二极管所加反向电压比较低时反向电流读数接近零。

实验时，如果违反上述任一条规定，都将会损坏半导体二极管。

3．电源不能短路。

4．数字电流表为三挡测量量程，各量程的内阻不同，在做实验时选好量程，尽量不要换量程，各挡的内阻详见其使用说明书。

【数据记录及处理】

1、二极管数据记录格式见表3-6-1，3-6-2

表3-6-1反向伏安曲线测试数据表

U（V）

I（

）

电阻计算值（

）

表3-6-2正向伏安曲线测试数据表

正向伏安曲线测试数据I（

）

U（V）

电阻直算值（

）

电阻修正值（

）

2、稳压管

表3-6-32CW56硅稳压二极管反向伏安特性测试数据表

电流表接法

数据

U（V）

I（

）

I（mA）

U（V）

将上述数据在坐标纸上画出2CW56伏安曲线，

表3-6-4钨丝灯泡伏安特性测试数据表

灯泡电压V（V）

灯泡电流A（mA）

灯泡电阻计算值（

）

由实验数据在坐标纸上画出钨丝灯泡的伏安特性曲线，并将电阻直算值也标注在坐标图上。

选择二对数据（如U1=2V，U2=8V，及相应的I1、I2），按4－4和4－5式计算出K、n两系数值。

由此写出4－1式，并进行多点验证。

2.计算百分百误差，分析实验结果。

【思考题】

1）、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么？

2）、在制定表2－2时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表2－2中加一项“电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。

3）在测试稳压二极管反向伏安特性时，为什么会分二段分别采用电流表内接电路和外接电路？

4）稳压二极管的限流电阻值如何确定？

（提示：

根据要求的稳压二极管动态内阻确定工作电流，由工作电流再计算限流电阻大小）

5）选择工作电流为8mA，供电电压10V时，限流电阻大小是多少？

供电电压为12V时，限流电阻又多大？

6）试从钨丝灯泡的伏安特性曲线解释为什么在开灯的时候容易烧坏？

7）什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？

8）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。