非線性元件伏安特性的測量

電阻是導體材料和半導體材料的重要特性參數(shù)，在電學實驗中經常要對電阻進行測量。測量電阻的方法有多種，伏安法是常用的基本方法之一?！緦嶒災康摹繉W習常用電磁學儀器儀表的正確使用及簡單電路的聯(lián)接。掌握用伏安法測量電阻的基本方法及其誤差的分析。測定線性電阻和非線性電阻的伏安特性?！緦嶒炘怼俊緦嶒炘怼克^伏安法，就是運用歐姆定律，測出電阻兩端的電壓和其上通過的電流，根據(jù)R=V/I即可求得阻值R。也可運用作圖法，作出伏安特性曲線，從曲線上求得電阻的阻值。對有些電阻，其伏安特性曲線為直線，稱為線性電阻，如常用的碳膜電阻、線繞電阻、金屬膜電阻等。有些元件，如燈泡、晶體二極管、穩(wěn)壓管、熱敏電阻等，伏安特性曲線不是直線，稱為非線性電阻元件，可通過作圖法反映它的特性。用伏安法測電阻，原理簡單，測量方便，但由于電表內阻接入的影響，給測量帶來一定系統(tǒng)誤差。在電流表內接法中，由于電壓表測出的電壓值V包括了電流表兩端的電壓，因此，測量值要大于被測電阻的實際值。由可見，由于電流表內阻不可忽略，故產生一定的誤差。在電流表外接法中，由于電流表測出的電流I包括了流過電壓表的電流，因此，測量值要小于實際值。由可見，由于電壓表內阻不是無窮大，故給測量帶來一定的誤差。上述兩種聯(lián)接電路的方法，都給測量帶來一定的系統(tǒng)誤差，即測量方法誤差。為此，必須對測量結果進行修正。其修正值為其中R為測量值，Rx為實際值。為了減小上述誤差，必須根據(jù)待測阻值的大小和電表內阻的不同，正確選擇測量電路。經過以上處理，可以減小和消除由于電表接入帶來的系統(tǒng)誤差，但電表本身的儀器誤差仍然存在，它決定于電表的準確度等級和量程，其相對誤差為圖16—1電流表內接圖16—2電流表外接竺=竺■國式中蟄和"為電流表和電壓表允許的最大示值誤差?！緦嶒瀮x器】電阻元件伏安特性實驗儀，待測金屬膜電阻、待測穩(wěn)壓管、待測小燈炮、待測二極管等?！緦嶒灢襟E】測定金屬膜電阻的伏安特性根據(jù)圖16—1聯(lián)接好電路。金屬膜電阻Rx為240W，每改變一次電壓V，讀出相應的I值，并填入下表中，作伏安特性曲線，再從曲線上求得電阻值。電壓(V)

電流(mA)根據(jù)圖16—2聯(lián)接好電路，仍用測量步驟1中Rx,每改變一次電流值讀出相應的電壓來。同樣作出伏安特性曲線，并從曲線上求得電阻值。根據(jù)電表內阻的大小，分析上述兩種測量方法中，哪種電路的系統(tǒng)誤差小。測量穩(wěn)壓管的伏安特性穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性穩(wěn)壓管實質上就是一個面結型硅二極管，它具有陡峭的反向擊穿特性，工作在反向擊穿狀態(tài)。在制造穩(wěn)壓管的工藝上，使它具有低壓擊穿特性。穩(wěn)壓管電路中，串入限流電阻，使穩(wěn)壓管擊穿后電流不超過允許的數(shù)值，因此擊穿狀態(tài)可以長期持續(xù)，并能很好地重復工作而不致?lián)p壞。穩(wěn)壓管的特性曲線如圖16—3所示，它的正向特性和一般硅二極管一樣，但反向擊穿特性較陡。由圖可見，當反向電壓增加到擊穿電壓以后，穩(wěn)壓管進入擊穿狀態(tài)曲線段，雖然反向電流在很大的范圍內變化，但它兩端的電壓變化很小或基本恒定。利用穩(wěn)壓管的這一特性，可以達到穩(wěn)壓的目的。圖16—3穩(wěn)壓管的參數(shù)穩(wěn)定電壓Vx。即穩(wěn)壓管在反向擊穿后其兩端的實際工作電壓。這一參數(shù)隨工作電流和溫度的不同略有改變，并且分散性較大，例如2CW14型的=6~7.5V。但對每一個管子而言，對應于某一工作電流，穩(wěn)定電壓有相應的確定值。穩(wěn)定電流Ix。即穩(wěn)壓管的工作電壓為穩(wěn)定電壓時的工作電流。動態(tài)電阻rx。是穩(wěn)壓管電壓變化和相應的電流變化之比，即。E16-4穩(wěn)壓管的正向特性測量電最大穩(wěn)定電流Ixmax和最小穩(wěn)定電流Ixmin°Ixmax是指穩(wěn)壓管的最大工作電流，超過此值，即超過了管子的允許耗散功率；Ixmin是指穩(wěn)壓管的最小工作電流，低于此值，Vx不再穩(wěn)定，常取Ixmin=1~2mA。穩(wěn)壓管伏安特性測定的實驗電路實驗電路如圖16—4所示。E為0~12V可調電源，R為限流電阻器。測定穩(wěn)壓管的正向特性按圖16—4連接電路，R阻值調到最大，可調穩(wěn)壓電源的輸出為零。增大輸出電壓，使電壓表的讀數(shù)逐漸增大，觀察加在穩(wěn)壓管上電壓隨電流變化的現(xiàn)象，通過觀察確定測量范圍，即電壓與電流的調節(jié)范圍。測定穩(wěn)壓管的正向特性曲線，不應等間隔的取點，即電壓的測量值不應等間隔地取，而是在電流變化緩慢區(qū)間，電壓間隔取的疏一些，在電流變化迅速區(qū)間，電壓間隔取得密一些。如測試的2CW14型穩(wěn)壓管，電壓在0V~0.7V區(qū)間取3~5個點即可。測定穩(wěn)壓管的反向特性將穩(wěn)壓管反接；定性觀察被測穩(wěn)壓管的反向特性，通過觀察確定測試反向特性時電壓的調節(jié)范圍(即該型號穩(wěn)壓管的最大工作電流Ixmax所對應的電壓值)。測試反向特性，同樣在電流變化迅速區(qū)域，電壓間隔應取得密一些。測量小燈炮的伏安特性自行設計測試小燈炮伏安特性的線路；用測量數(shù)據(jù)畫出小燈炮的伏安特性曲線。圖16-5說明小燈炮的電阻特性。測量2AP型晶體二極管的正向和反向伏安特性晶體二極管PN結在正向導電時電阻很小，反向導電時電阻很大，具有單向導電性。隨著所加電壓的大小，電流也不是成比例的變化，它的伏安特性曲線是一條曲線，所以屬非線性元件。由圖16—5可見，在二極管兩端加正向電壓時，在死區(qū)電壓以內，二極管呈現(xiàn)的電阻較大，所以只有很小的電流，一旦超過死區(qū)電壓，電流增長很快。二極管的正向電流不允許超過最大整流電流，否則將導致二極管損壞。當加反向電壓時，由于少數(shù)載流子的作用，形成反向電流。反向電壓在一定范圍內，反向電流很小，而且?guī)缀醪蛔儯纬煞聪蝻柡碗娏?。當反向電壓增大到一定程度后，反向電流突然增大，出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象，此時二極管將因擊穿而損壞，所以二極管必須給出反向工作電壓（通常是擊穿電壓的一半）。按圖