实验一 电路元件伏安特性的测绘.doc
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1、实验一 电路元件伏安特性的测绘一、实验目的一、实验目的1. 学会识别常用电路元件的方法。2. 掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的测绘。3. 掌握实验台上直流电工仪表和设备的使用方法。二、原理说明二、原理说明任何一个二端元件的特性可用该元件上的端电压 U 与通过该元件的电流 I 之间的函数关系 If(U)来表示,即用 I-U 平面上的一条曲线来表征,这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。1. 线性电阻器的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线,如图 1-1 中 a 所示,该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。2. 一般的白炽灯在工作时灯丝处于高温状态, 其灯丝电阻随着温度的升高而增大,通过白炽灯的电流
2、越大,其温度越高,阻值也越大,一般灯泡的“冷电阻” 与“热电阻”的阻值可相差几倍至十几倍,所以它的伏安特性如图 1-1 中 b 曲线所示。3. 一般的半导体二极管是一个非线性电阻元件,其伏安特性如图 1-1 中 c 所示。 图 1-1正向压降很小(一般的锗管约为 0.20.3V,硅管约为 0.50.7V) ,正向电流随正向压降的升高而急骤上升,而反向电压从零一直增加到十多至几十伏时,其反向电流增加很小,粗略地可视为零。可见,二极管具有单向导电性,但反向电压加得过高,超过管子的极限值,则会导致管子击穿损坏。4. 稳压二极管是一种特殊的半导体二极管,其正向特性与普通二极管类似,但其反向特性较特别,
3、如图 1-1 中 d 所示。在反向电压开始增加时,其反向电流几乎为零,但当电压增加到某一数值时(称为管子的稳压值,有各种不同稳压值的稳压管)电流将突然增加,以后它的端电压将基本维持恒定,当外加的反向电压继续升高时其端电压仅有少量增加。注意:流过二极管或稳压二极管的电流不能超过管子的极限值,否则管子会被烧坏。三、实验设备三、实验设备序号名 称型号与规格数量备注1可调直流稳压电源030V1DG042万 用 表FM-47 或其他1自备3直流数字毫安表0200mA1D314直流数字电压表0200V1D310-10-20-300.51ICDbddDbCU(V)( )25二 极 管IN40071DG096
4、稳 压 管2CW511DG097白 炽 灯12V,0.1A1DG098线性电阻器200,510/8W1DG09四、实验内容四、实验内容1. 测定线性电阻器的伏安特性按图 1-2 接线,调节稳压电源的输出电压 U,从 0 伏开始缓慢地增加,一直到 10V,记下相应的电压表和电流表的读数 UR、I。图 1-2 图 1-3UR(V)0 246810I(mA)2. 测定非线性白炽灯泡的伏安特性将图 1-2 中的 R 换成一只 12V,0.1A 的灯泡,重复步骤 1。UL为灯泡的端电压。UL(V)0.10.512345I(mA)3. 测定半导体二极管的伏安特性按图 1-3 接线,R 为限流电阻器。测二极
5、管的正向特性时,其正向电流不得超过 35mA,二极管 D的正向施压 UD+可在 00.75V 之间取值。在 0.50.75V 之间应多取几个测量点。测反向特性时,只需将图 1-3 中的二极管 D 反接,且其反向施压 UD可达 30V。正向特性实验数据UD+ (V)0.100.300.500.550.600.650.700.75I(mA)反向特性实验数据UD(V)0-5-10-15-20-25-30I(mA)4. 测定稳压二极管的伏安特性 (1)正向特性实验:将图 1-3 中的二极管换成稳压二极管 2CW51,重复实验内容 3 中的正向测量。 UZ+为 2CW51 的正向施压。UZ+ (V)0.
6、500.600.650. 680.700.750.800.85I(mA)U Um mA A R R2 20 00 0V VD D I IN N4 40 00 07 7 U UmmA A R R 1 1K KV V 3(2)反向特性实验:将图 1-3 中的 R 换成 510,2CW51 反接,测量 2CW51 的反向特性。稳压电源 的输出电压UO从 020V,测量 2CW51 二端的电压UZ及电流 I,由 UZ可看出其稳压特性。UO(V)UZ(V)I(mA)五、实验注意事项五、实验注意事项1. 测二极管正向特性时,稳压电源输出应由小至大逐渐增加, 应时刻注意电流表读数不得超过35mA。2. 进行
7、不同实验时,应先估算电压和电流值,合理选择仪表的量程,勿使仪表超量程,仪表的极性亦不可接错。六、思考题六、思考题1. 线性电阻与非线性电阻的概念是什么? 电阻器与二极管的伏安特性有何区别?2. 设某器件伏安特性曲线的函数式为 If(U),试问在逐点绘制曲线时,其坐标变量应如何放置?3. 稳压二极管与普通二极管有何区别,其用途如何?4. 在图 1-3 中,设 U=2V,UD+=0.7V,则电流表读数为多少?七、实验报告七、实验报告1. 根据各实验数据, 分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。 (其中二极管和稳压管的正、反向特性均要求画在同一张图中,正、反向电压可取为不同的比例尺)2. 根据实验
8、结果,总结、归纳被测各元件的特性。3. 必要的误差分析。4. 心得体会及其他。4实验二 基尔霍夫定律的验证一、实验目的一、实验目的1. 验证基尔霍夫定律的正确性,加深对基尔霍夫定律的理解。2. 学会用电流插头、插座测量各支路电流。二、原理说明二、原理说明基尔霍夫定律是电路的基本定律。测量某电路的各支路电流及每个元件两端的电压,应能分别满足基尔霍夫电流定律(KCL)和电压定律(KVL) 。即对电路中的任一个节点而言,应有 I0;对任何一个闭合回路而言,应有 U0。运用上述定律时必须注意各支路或闭合回路中电流的正方向,此方向可预先任意设定。三、实验设备三、实验设备序号名称型号与规格数量备注1直流可
9、调稳压电源030V二路DG042万 用 表1自备3直流数字电压表0200V1D314基尔霍夫定律实验电路板1DG05四、实验内容四、实验内容利用实验挂箱上的“基尔霍夫定律/叠加原理”线路,按图 2-1 接线。图 2-11. 实验前先任意设定三条支路和三个闭合回路的电流正方向。图 2-1 中的 I1、I2、I3的方向已设定。三个闭合回路的电压正方向可设为 FADEF、ABCDA 和 FBCEF。2. 分别将两路直流稳压源接入电路,令 U16V,U212V。3. 熟悉电流插头的结构,将电流插头的两端接至数字毫安表的“、”两端。4. 将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中,读出并记录电流值到表
10、1 中。5. 用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值,记录到表 2 中。表表 1 KCL被测量I1(mA)I2(mA)I3(mA)I 6 6V VU U1 1R RR RR R R RR R1 12 23 34 45 55 51 10 05 51 10 05 51 10 03 33 30 01 1K KA AB BC CD DE EF F 1 12 2V VU U2 2I I1 1I I2 2I I3 3mmA A 5计算值 测量值相对误差表表 2 KVLUFA (v)UAD (v)UDE (v)UEF (v)U回路(FADEF)UAB (v)UBC (v)UCD (v) UDA
11、 (v)U回路(ABCDA)UFB (v)UBC (v)UCE (v)UEF (v)U回路(FBCEF)五、实验注意事项五、实验注意事项1. 本实验线路板系多个实验通用,需用到电流插座。(三个故障按键不得按下。)2. 所有需要测量的电压值,均以电压表测量的读数为准。U1、U2也需测量,不应取电源本身的显示值。3. 防止稳压电源两个输出端碰线短路。4. 用指针式电压表或电流表测量电压或电流时, 如果仪表指针反偏,则必须调换仪表极性,重新测量。此时指针正偏,可读得电压或电流值。若用数显电压表或电流表测量,则可直接读出电压或电流值。但应注意:所读得的电压或电流值的正确正、负号应根据设定的电流参考方向
12、来判断。六、预习思考题六、预习思考题1. 根据图 2-1 的电路参数,计算出待测的电流 I1、I2、I3和各电阻上的电压值,记入表中,以便实验测量时,可正确地选定毫安表和电压表的量程。2. 实验中,若用指针式万用表直流毫安档测各支路电流,在什么情况下可能出现指针反偏,应如何处理?在记录数据时应注意什么?若用直流数字毫安表进行测量时,则会有什么显示呢?七、实验报告七、实验报告1. 根据实验数据,选定节点 A,验证 KCL 的正确性。2. 根据实验数据,选定实验电路中的任一个闭合回路,验证 KVL 的正确性。3. 将支路和闭合回路的电流方向重新设定,重复 1、2 两项验证。4. 误差原因分析。5.
13、 心得体会及其他。6实验三 叠加原理的验证一、实验目的一、实验目的验证线性电路叠加原理的正确性,加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。二、原理说明二、原理说明叠加原理指出:在有多个独立源共同作用下的线性电路中,通过每一个元件的电流或其两端的电压,可以看成是由每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。线性电路的齐次性是指当激励信号(某独立源的值)增加或减小 K 倍时,电路的响应(即在电路中各电阻元件上所建立的电流和电压值)也将增加或减小 K 倍。三、实验设备三、实验设备序号名 称型号与规格数量备 注1直流稳压电源030V 可调二路DG042万用表1自备3直流数字电压表02
14、00V1D314直流数字毫安表0200mV1D315叠加原理实验电路板1DG05四、实验内容四、实验内容实验线路如图 3-1 所示,用 DG05 挂箱的“基尔夫定律/叠加原理”线路。图 7-11. 将两路稳压源的输出分别调节为 12V 和 6V,接入 U1和 U2处。2. 令 U1电源单独作用(将开关 K1投向 U1侧,开关 K2投向短路侧) 。用直流数字电压表和毫安表F127(接电流插头)测量各支路电流及各电阻元件两端的电压,数据记入表 3-1。 表表 3-1测量项目实验内容U1(V)U2(V)I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)U
15、1单独作用U2单独作用U1、 U2共同作用2U2单独作用3. 令 U2电源单独作用(将开关 K1投向短路侧,开关 K2投向 U2侧) ,重复实验步骤 2 的测量和记录,数据记入表 3-1。4. 令 U1和 U2共同作用(开关 K1和 K2分别投向 U1和 U2侧) , 重复上述的测量和记录,数据记入表 3-1。5. 将 U2的数值调至12V,重复上述第 3 项的测量并记录,数据记入表 3-1。6. 将 R5(330)换成二极管 1N4007(即将开关 K3投向二极管 IN4007 侧) ,重复 15 的测量过程,数据记入表 3-2。7. 任意按下某个故障设置按键,重复实验内容 4 的测量和记录
16、,再根据测量结果判断出故障的性质。表表 3-2五、实五、实验注意事项验注意事项1. 用电流插头测量各支路电流时,或者用电压表测量电压降时,应注意仪表的极性,正确判断测得值的、号后,记入数据表格。2. 注意仪表量程的及时更换。六、预习思考题六、预习思考题1. 在叠加原理实验中,要令 U1、U2分别单独作用,应如何操作?可否直接将不作用的电源(U1或U2)短接置零?2. 实验电路中,若有一个电阻器改为二极管, 试问叠加原理的迭加性与齐次性还成立吗?为什么?七、实验报告七、实验报告测量项目实验内容U1(V)U2(V)I1(mA)I2(mA)I3(mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)
17、UFA(V)U1单独作用U2单独作用U1、 U2共同作用2U2单独作用81. 根据实验数据表格,进行分析、比较,归纳、总结实验结论,即验证线性电路的叠加性与齐次性。2. 各电阻器所消耗的功率能否用叠加原理计算得出? 试用上述实验数据,进行计算并作结论。3. 通过实验步骤 6 及分析表格 3-2 的数据,你能得出什么样的结论?4. 心得体会及其他。实验四 电压源与电流源的等效变换一、实验目的一、实验目的1. 掌握电源外特性的测试方法。2. 验证电压源与电流源等效变换的条件。二、原理说明二、原理说明1. 一个直流稳压电源在一定的电流范围内,具有很小的内阻。故在实用中,常将它视为一个理想的电压源,即
18、其输出电压不随负载电流而变。其外特性曲线,即其伏安特性曲线 Uf(I)是一条平行于 I 轴的直线。一个实用中的恒流源在一定的电压范围内,可视为一个理想的电流源。2. 一个实际的电压源(或电流源) ,其端电压(或输出电流)不可能不随负载而变,因它具有一定的内阻值。故在实验中,用一个小阻值的电阻(或大电阻)与稳压源(或恒流源)相串联(或并联)来摸拟一个实际的电压源(或电流源) 。3. 一个实际的电源,就其外部特性而言,既可以看成是一个电压源,又可以看成是一个电流源。若视为电压源,则可用一个理想的电压源 Us 与一个电阻 Ro 相串联的组合来表示;若视为电流源,则可用一个理想电流源 Is 与一电导
19、go相并联的组合来表示。如果这两种电源能向同样大小的负载供出同样大小的电流和端电压,则称这两个电源是等效的,即具有相同的外特性。一个电压源与一个电流源等效变换的条件为:IsUsRo,go1/Ro 或 UsIsRo,Ro 1/ go 。 如图 4-1 所示。 U UsR R0 0U UR RL LI Is s= = U US S/ / R R0 0g g0 0= =1 1/ /R R0 0g g0 0= =1 1/ /R R0 0I Is sU US SR R0 0. .= = g g0 0I I R RL LU U IIS9图 4-1 三、实验设备三、实验设备序号名 称型号与规格数量备 注1可
20、调直流稳压电源030V1DG042可调直流恒流源0500mA1DG043直流数字电压表0200V1D314直流数字毫安表0200mA1D315万用表1自备6电阻器120,200 510,1KDG097可调电阻箱099999.91DG098实验线路DG05四、实验内容四、实验内容1. 测定直流稳压电源与实际电压源的外特性(1)按图 4-2 接线。Us 为6V 直流稳压电源。调节 R2,令其阻值由大至小变化,记录两表的读数,填入表 1 中。图 4-2 图 4-3表表 1R2 ()470400300200100U(v)I(mA)(2) 按图 4-3 接线,虚线框可模拟为一个实际的电压源。调节 R2,
21、令其阻值由大至小变化,记录两表的读数,填入表 2 中。表表 2R2 ()470400300200100U(V)I(mA)6V6VU Us smAmAV VR R1 1R R2 2200200470470 6V6VU Us smAmAV VR R1 1R R2 22002004704705151R R0 0102. 测定电流源的外特性按图 4-4 接线,Is 为直流恒流源,调节其输出为 10mA,令 Ro分别为 1K 和(即接入和断开) ,调节电位器 RL(从 0 至 1K) ,测出这两种情况下的电压表和电流表的读数,分别填入表 3 和表 4 中。 表表 3RL()100200300400470
22、I (mA)U(v)表表 4RL()100200300400470I (mA)U(v)图 4-43. 测定电源等效变换的条件 先按图 4-5(a)线路接线,记录线路中两表的读数。然后利用图4-5(a)中右侧的元件和仪表,按图4-5(b)接线。调节恒流源的输出电流IS,使两表的读数与4- 5(a)时的数值相等,记录Is 之值,验证等效变换条件的正确性。(a) (b)图 4-5五、实验注意事项五、实验注意事项1. 在测电压源外特性时,不要忘记测空载时的电压值, 测电流源外特性时,不要忘记测短路时的电流值,注意恒流源负载电压不要超过 20 伏,负载不要开路。2. 换接线路时,必须关闭电源开关。3.
23、直流仪表的接入应注意极性与量程。 六、预习思考题六、预习思考题或6V6VU U S SmAmA200200V VR RS S5151I IS SmAmA200200V VR RS S515110mA10mAI IS SmAmAR R0 0R RL L 470470V V1K111. 通常直流稳压电源的输出端不允许短路,直流恒流源的输出端不允许开路,为什么?2. 电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势, 稳压源和恒流源的输出在任何负载下是否保持恒值?七、实验报告七、实验报告1. 根据实验数据绘出电源的四条外特性曲线,并总结、归纳各类电源的特性。2. 从实验结果,验证电源等效变换的条件。3.
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