电学设计性实验

表3 改装表读数(μA) 标准表读数(μA) 减小时 增大时 平均值 示值误差 ΔI(μA)
20 40 60 80 100 【注意事项】 1、电流表应串接在被测电流支路中，电压表应并接在被测电压两端，要注 意直流仪表“+”、“－”端钮的接线，并选取适当的量程。 2、使用测量仪表前，应注意对量程和功能的正确选择。 3、直流稳压电源的输出端不能短路。 4、实验元件的功率都已标出，使用时不要超过其功率范围以免损坏元件。
7
图 2(a) 锗二极管伏安特性
图 2(b) 硅二极管伏安特性
二极管的伏安特性曲线（如图 2(a) 、(b)所示）对原点是不对称的，具有明 显的方向性。当对二极管施加正向偏置电压时，二极管中就有正向电流通过(多 数载流子导电)，随着正向偏置电压的增加，开始时电流随电压变化很缓慢，当 正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为 0.2V 左右， 硅管为 0.7V 左右)， 电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。当施加反 向偏置电压时， 二极管处于截止状态， 其反向电压增加至该二极管的击穿电压时， 电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿，这很容易造成 二极管的永久性损坏。所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反 向电流过大而损坏二极管。 稳压二极管 2CW56 的正向特性与硅、锗二极管相似，但反向特性却比较特 别（如图 3） 。当 2CW56 二端电压反向偏置时，其电阻值很大，反向电流极小， 随着反向偏置电压的进一步增加， 大约 7－8.8V 时， 据手册资料称其值≤0.5 。 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，电压稍有变 化，就将引起电流的巨大变化。稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中 与适当电阻配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。 2. 电表改装 电表在电测量中有着广泛的应用，因此如何了解电表和使用电表就显得十
表 2 2CW56 稳压二极管反向伏安特性测试数据表 电流表接法 内接式 外接式 U(V) I( ) I(mA) U(V) 数 据
将上述数据在坐标纸上画出稳压二极管 2CW56 的伏安特性曲线 （参考图 3） 。 3. 电表改装-----将量程为 100μA 的电流表改成较大量程的电流表
5
根据电阻并联规律可知，如果在电流表两端并联上一个阻值适当的电阻 R， 如图 5 所示（注：图中 RW 用阻值为 3kΩ 的定值电阻，R 为阻值为 5kΩ 的滑线 变阻器） ，可使电流表不能承受的那部分电流从 R 上分流通过。这种由电流表和 并联电阻 R 组成的整体就是改装后的电流表。如需将量程扩大 n 倍，则不难得 出 R=Rg/(n-1) ⑴ 用替代法测出表头的内阻 Rg= Ω (6) 本实验是将量程为 100μA 的电流表改成较大量程的电流表。具体做法如下： 按图 5 所示，将微安表接入电路中，并联电阻 R 先不接，调节电源电压使 得微安表和标准电流表的示数为 60μA，关闭电源，把微安表换成 5kΩ 的滑线变 阻器，改变滑线变阻器的阻值，当标准电流表的电流达到 60μA 时，此时滑线变 阻器的阻值即为微安表的内阻，用万用表测出阻值，即为 Rg。 ⑵ 将一个量程为 100μA 的电流表改装成量程为 200μA 的电流表 根据式(6)计算出分流电阻值，先将电源电压调到最小，慢慢调节电源，升 高电压，使改装表指到满量程，记录标准电流表的读数。使改装表每隔 20μA (满 量程的 1/5)逐步减小读数直至零点； 再调节电源电压按原间隔逐步增大改装表读 数到满量程，记下每次标准表相应的读数（表 3） 。 ⑶ 以改装表读数为横坐标，标准表由大到小及由小到大调节时两次读数的 平均值为纵坐标，在坐标纸上画出电流表的校正曲线。 ⑷ 重复以上步骤， 将量程为 100μA 的电流表改装成量程为 500μA 的电流表。 (可选做)。
2
分重要。电流计(表头)由于构造的原因，一般只能测量较小的电流和电压，如果 要用它来测量较大的电流或电压，就必须进行改装，以扩大其量程。万用表的原 理就是对微安表头进行多量程改装而来， 在电路的测量和故障检测中得到了广泛 的应用。
图3
2CW56 伏安曲线参考图
常见的磁电式电流计主要由放在永久磁场中的由细漆包线绕制的可以转动 的线圈、用来产生机械反力矩的游丝、指示用的指针和永久磁铁所组成。当电流 通过线圈时，载流线圈在磁场中就产生一磁力矩 M 磁，使线圈转动，从而带动指 针偏转。线圈偏转角度的大小与通过的电流大小成正比，所以可由指针的偏转直 接指示出电流值。电流计允许通过的最大电流称为电流计的量程，用 Ig 表示，电 流计的线圈有一定内阻， 用 Rg 表示， Ig 与 Rg 是两个表示电流计特性的重要参数。 测量内阻 Rg 的常用方法有： (1) 半电流法也称中值法，测量原理见图 4。 当被测电流计接在电路中时，使电流计满偏，再用十进位电阻箱与电流计并 联作为分流电阻，改变电阻值即改变分流程度，当电流计指针指示到中间值，且 标准表读数(总电流强度)仍保持不变，可通过调电源电压和 RW 来实现，显然这 时分流电阻值就等于电流计的内阻。 (2) 替代法 测量原理见图 5，当被测电流计接在电路中时，用十进位电阻箱替代它，且
6
【思考题】 1 、试从钨丝灯泡的伏安特性曲线来解释为什么在开灯的时候灯泡容易烧 坏？ 2、如何根据元件的伏安特性曲线来区分它们为何种性质的电阻？ 3、在测试稳压二极管反向伏安特性时，为什么要分二段分别采用电流表内 接电路和外接电路来进行测量？ 4、除了实验中使用的方法外，是否还有别的办法来测定电流表的内阻？
U1 U2 I n= lg 1 I2 lg
(4)
将式(4)式代入式(2)可以得到： K = U1·I1–n (5) 实验中采用电流表外接法（如图 6）进行测量。注意：接线前应确认电压源 的输出已经调到最小！按表 1 的要求，逐步增加电源电压，记下相应的电流表数 据。注意电源电压不要超过 12V！ （一定要控制好钨丝灯泡的两端电压！因为超 过额定电压使用会烧坏钨丝！ ）
图 6 钨丝灯泡伏安特性测试电路
图 7 稳压二极管反向伏安特性测试电路
2. 测量稳压二极管的反向伏安特性曲线 将稳压二极管 2CW56 按图 7 所示接入电路中， 当稳压二极管两端反向电压 在 0～7V 左右时，稳压二极管的阻抗很大，这时应采用电流表内接法来测量； 当反向偏置电压进入击穿段（ 7 － 8.8V ）时，稳压二极管的内阻较小 ( 估计为 R=8/0.008=1 k )，这时应采用电流表外接法来测量。实验中 R1 是阻值为 200Ω 的定值电阻，R2 是阻值为 2.2kΩ 的滑线变阻器。 实验时首先将电源电压调至零，按图 7 接线，开始按电流表内接法（电流表 量程为 2mA） ，滑线变阻器 R2 旋到最大值，缓慢增加电源电压，记下电流表对 应读数(数据记录应在电流表有示数后(0.1 )开始，且电压每增加 0.1V 记录一 个相应的电流值)。当观察到电流开始增加，并有迅速加快表现时，说明稳压二 极管 2CW56 已经开始进入反向击穿过程， 这时切断电源， 将电流表改为外接式， 并更换电流表量程为 200 mA，继续慢慢地增加电源电压，且电流每增加 1mA 记 录一个相应的电压值，当电流值达到 10mA 时停止记录。实验中为了增加稳压二 为了得到整数 极管 2CW56 的工作电流， 可以逐步地减小滑线变阻器 R2 的阻值， 电流值，可以辅助微调电源电压。
电学设计性实验
电学设计性实验是在主体九孔板上，通过接插件式的透明元器件相互连接， 从而完成多个功能的设计性物理实验， 包括电路元件伏安特性的测绘、 电表改装、 电源外特性的测量、RLC 元件的稳态特性和暂态特性、整流滤波电路、稳压电 路以及混沌效应等。通过此实验可以提高学生的实际动手能力和实验设计能力。 【实验目的】 （1）学习测量非线性电阻元件伏安特性的方法，并绘制其特性曲线. （2）通过稳压二极管反向伏安特性非线性的强烈反差，进一步熟悉掌握电子元 件伏安特性的测试技巧. （3）掌握将量程为 100μA 的电流表改成较大量程电流表的方法，并学习校准电 流表. 【实验仪器】 直流恒压源恒流源 DH-VC1、台式数字万用表 GDM-8145、手持式数字万 用表 UT39E、稳压二极管(2CW56)、定值电阻、可调电阻、微安表头、开关、 连接线等 【实验原理】 1. 电路元件的伏安特性 电路元件的伏安特性是指元件的端电压与通过该元件电流之间的函数关系， 由伏安特性可以了解该元件的性质。 通过测量得到元件伏安特性的方法称为伏安 测量法(简称伏安法)。把电路元件上的电压取为纵(或横)坐标，电流取为横(或纵) 坐标，根据测量所得数据，画出电压和电流的关系曲线，称为该电路元件的伏安 特性曲线。
(a) 线性电阻的伏安特性曲线 图1
(b) 非线性电阻的伏安特性曲线
伏安特性曲线
(1) 线性电阻元件
1
线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律，即 U=IR，其中 R 为常量，称为电 阻的阻值，它不随电压或电流的改变而改变，其伏安特性曲线是一条过坐标原点 的直线，具有双向性。如图 1(a)所示。 (2) 非线性电阻元件 非线性电阻元件的伏安特性不遵循欧姆定律，它的阻值 R 随着电压或电流 的改变而改变， 也就是说它不是一个常量。 其伏安特性是一条过坐标原点的曲线， 如图 1(b)所示。白炽灯和半导体二极管都是典型的非线性电阻元件。 白炽灯的伏安特性曲线对坐标原点是对称的，因而具有双向特性。白炽灯 在工作时灯丝处于高温状态，灯丝电阻值随着温度的升高而增大，通过白织灯的 电流越大，其温度越高，阻值也越大。
表1 钨丝灯泡 伏安特性测试数据
灯泡电压 V(V) 灯泡电流 A(mA) 灯泡电阻计算值( )
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
4
由实验数据在坐标纸上画出钨丝灯泡的伏安特性曲线。选择二对数据 ( 如 U1=2V，U2=8V，及相应的 I1、I2，按式(4)和式(5)计算出 K、n 值。由此写出式 (1)，并进行多点验证。