非線性元件特性曲線的測定及曲線繪制

一、實驗目的
　　1、了解非線性元件的伏安特性；
　　2、學習非線性元件伏安特性曲線的測試方法；
　　3、掌握繪制曲線的方法。

　　二、 原理說明
　　1、非線性元件的伏安特性
　　在電路中，元件的特性一般用該元件上的電壓Ｕ與通過元件的電流Ｉ之間的函數關系U = f (I) 來表示，這種函數關系稱為該元件的伏安特性，也稱外部特性。通常將Ｕ和I分別作為縱坐標和橫坐標繪成曲線，這種曲線就叫做伏安特性曲線或外特性曲線。

　　線性電阻元件的伏安特性符合歐姆定律，它在u-i 平面上是一條通過原點的直線，如圖6.8.1所示。該特性曲線各點斜率與元件電壓、電流的大小和方向無關，所以線性電阻元件是雙向性元件。

　　圖6.8.1

　　非線性二端元件的伏安特性不服從歐姆定律，在u-i平面上是一條曲線。以下我們將討論普通晶體二極管、穩壓二極管和白熾燈泡三種非線性電阻元件的伏安特性。

　　普通晶體二極管的特點是正向電阻和反向電阻區別很大，其伏安特性曲線如圖6.8.2（a）所示。它的電阻值不僅隨著流過它的電流大小而變化，而且還隨著電流的方向不同而有很大的不同，其伏安特性曲線對坐標原點不對稱，是非雙向性元件，具有單向導電的特點。

　　穩壓二極管的正向伏安特性類似于普通晶體二極管，但其反向伏安特性則較特別，如圖6-8-2（b）所示。在反向電壓開始增加時，其反向電流幾乎為零，但當電壓增加到某一數值時（一般稱為穩定電壓），電流突然增加，以后它的端電壓維持恒定，不再隨外電壓升高而增加。利用這種特性，穩壓二極管在電子設備中有著廣泛的應用。

　　白熾燈泡在工作時，燈絲處于高溫狀態，其燈絲電阻隨著溫度的改變而改變，并且具有一定的慣性；又因為溫度的改變與流過燈泡的電流有關，所以它的伏安特性為一條曲線，如圖6.8.2（c）所示。由圖可見，電流越大、溫度越高，對應的燈絲電阻也越大。一般燈泡的“冷電阻”與“熱電阻”可相差幾倍至十幾倍。

　　（a） （b） （c）

　　圖6.8.2 非線性元件的伏安特性

　　2、伏安特性曲線的測試方法
　　在使用電表測試二端電阻元件的伏安特性曲線時，應注意電壓表和電流表都具有一定的內阻RV和RA，測量時必須考慮到電表內阻對被測電路的影響。

　　三、實驗任務
　　1、測定晶體二極管的伏安特性曲線。
　　本次實驗測定的晶體二極管的參數為1.5A，100V。
　　自行設計實驗線路圖，測試該晶體二極管的伏安特性曲線，測量數據表格自擬。
　　2、測定穩壓二極管的伏安特性曲線。
　　本次實驗測定的穩壓二極管的參數為5V，1W。
　　將任務1中的晶體二極管換成穩壓二極管，重復任務1的測量，并將實驗數據填入自擬的表格。
　　3、測定白熾燈泡的伏安特性曲線。

　　圖6.8.3

　　按圖6.8.3接線并接通交流電源，根據曲線的性質，調整電源電壓輸出為0~240V。
　　測量點要求：電源電壓從最小值開始，單調增加，最后一點要求電壓≥230V。相鄰數據點間電壓增幅不宜超過12V，整個曲線測量取點總數應在20-25點左右為宜。
　　自擬表格記錄每一測量點電流表和電壓表的讀數。
　　注意：測量點安排得越多、越合理，測量得到的特性曲線就越接近實際情況。

　　四、實驗儀器設備
　　1、數字萬用表
　　2、電工綜合實驗臺
　　3、 DG05單相燈負載實驗組件
　　4、 DG07多功能網絡實驗組件

　　五、預習思考及注意事項
　　1、預習被測元件伏安特性曲線的大致形狀，預測被測量（電壓、電流）的取值范圍，測量數據點應如何分布？應選用哪些儀表及其量程
　　2、選取適當測量點，針對所要求完成的實驗任務設計好實驗線路和數據表格。
　　3、實驗過程中直流穩壓電源不能短路，以免損壞設備。
　　4、分析影響實驗準確度的主要因素，并設法消除或降低其影響。

　　六、實驗報告要求
　　1、整理測量數據，在坐標紙上按合適的比例繪出各元件的伏安特性曲線；
　　2、學習使用計算機軟件繪制伏安特性曲線，了解曲線擬合的方法；
　　3、分析各測量誤差產生的原因。