电子元件伏安特性的测定

实验2　电子元件伏安特性的测定

【实验目的】

（1）测绘线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线；

（2）掌握三种伏安法测电阻的方法；

（3）掌握电表量程的选择及有效数字的记录。

【实验仪器】

直流稳压电源，直流电压表，直流毫安表，检流计，电子元件伏安特性实验板，待测电阻，待测二极管。

【实验原理】

1.伏安特性曲线

当一个元件两端加上电压时，元件就有电流通过，电压与电流之比，就是该元件的电阻。电阻元件通常分为两类。一类是线性电阻，另一类是非线性电阻。

图3-2-1　线性电阻伏安曲线

图3-2-2　二极管伏安曲线

对于线性电阻，电阻值是一常数（忽略电流热效应对阻值的影响），I-U特性曲线为一直线，此直线斜率的倒数就是电阻值，如图3-2-1所示。

对于非线性电阻元件，电阻值则随加在它两端的电压的变化而变化，I—U特性曲线是一条曲线，电阻定义为R＝dU/dI，由曲线斜率的倒数求得，但各点的斜率并不相同，电阻也不同，如图3-2-2所示。

2.伏安特性曲线测量的三种方法

根据欧姆定律，若能测出电阻R_X两端的电压U和流过电阻R_X的电流I，则待测电阻值为

用伏安法测电阻，通常有电流表内接法、外接法以及补偿法三种测量电路。

（1）电流表内接法。如图3-2-3所示，将电流表和待测电阻串联后再与电压表并联的方法称为电流表内接法。

当R_X》R_A时，相对误差较小，可用内接法测量。

图3-2-3　内接法测电阻

图3-2-4　外接法测电阻

（2）电流表外接法。如图3-2-4所示，将电压表和待测电阻并联后再与电流表串联的方法称为电流表外接法。

当R_X《R_V时，相对误差E_外较小，可用外接法测量。

（3）补偿法。图3-2-5是补偿法测电阻电路。R_X是待测电阻，R_t是检流计G的限流保护电阻。调节电位器R_o和R₁，使检流计G两端的电压相等，即当保护电阻R_t＝0，流过检流计G的电流I_G＝0时，电流表的读数即为流过电阻R_X的电流I，电压表的读数即为电阻R_X两端的电压U。这样既不存在电压表的分流，又不存在电流表的分压，从而克服了由于电表内阻的影响而产生的系统（方法）误差，这就是补偿法测量。

图3-2-5　补偿法测电阻

（4）电流表内、外接法的选择。如果对测量准确程度要求不高，或者在电压表内阻R_V远大于待测电阻R_X，而电流表内阻R_A远小于R_X的情况下，系统误差E_内、E_外都可以忽略，两种方法可以随意选用。

如果要准确测量电阻，应设法减小系统误差。当｜E_内｜＜｜E_外｜时用内接法，反之，选用外接法。

R_AR_X-R_AR_V＞0，解此不等式，并注意到R_V远大于R_A，得

由上面两式可知，所用仪表的量程和级别确定之后，ΔU_表和ΔI_表都是恒量。因此，要减小ΔR_X/R_X，电压表的读数U和电流表的读数I越大越好，尽可能接近量程。通常若电表的读数小于满刻度的1/3，应更换量程。正确选择量程可减小误差。

电流表的内阻R_A查附录Ⅰ电表参数表。

对于指针式仪表的读数，有效数字一般要读到分度的十分之一。例如，某电压表刻度盘50条刻度线，现用150mV量程测电压，则分度（最小刻度线）表示的电压值为150mV/50＝3mV，再加上估读一位数字，如0.3mV，则读数为3.3mV。

【实验内容与步骤】

1.测量电阻

待测电阻R_X＝510Ω左右，电源电压选3V。

1）内接法

（1）将“电子元件特性实验板”检流计保护电阻开关置“断”，切断检流计及其以右的电路，构成内接法测量电路。实验板上二极管D用来防止电流表指针反偏。

（2）将电位器R₀逆时针旋到底，对照“电子元件特性实验板”接线符号接好连接电源、电压表、电流表和待测电阻，经教师检查线路无误后，开启电源。

（3）顺时针旋转电位器R₀，使电压表读数为某个测量电压，如U＝0V，0.5V，1.0V，…，共测6个点，从电流表分别读出相应的电流值，并在自拟的表格中记录数据。

2）外接法

（1）检流计保护电阻开关置“断”，将电位器R₀逆时针旋到底，对照“电子元件特性实验板”的接线符号接好外接法测量电路。

（2）顺时针旋转电位器R₀，使电压表读数为某个测量电压，如U＝0V，0.5V，1.0V，…，共测6个点，从电流表分别读出相应的电流值，并在自拟的表格中记录数据。

3）补偿法

（1）将“电子元件特性实验板”检流计保护电阻开关置“粗”，接通检流计及其以右的电路，构成补偿法测量电路。

（2）将电位器R₀和R₁逆时针旋到底，检流计使用前调零。

（3）对照“电子元件特性实验板”的接线符号接好补偿法电路，经教师检查线路无误后，开启电源。

（4）电位器R₀用来改变电流表读数，电位器R₁用来改变电压表读数。顺时针调节电位器R₁，使电压表读数为某个测量电压，如U＝0V，0.5V，1.0V，…，共测6个点。对于每个电压值，分别调节电位器R₀，使检流计电流为零（保护电阻R_t开始最大，电流接近零时，R_t逐步调为零），从电流表分别读出相应的电流值，并在自拟的表格中记录数据。

2.补偿法测量二极管正向伏安特性曲线（选）

二极管是非线性元件，正向直流电阻在几十Ω～10₆Ω范围变化。若用伏安法测量，由于电压表内阻较小（如C31-mV型500Ω/V，数字万用表1MΩ），会引起很大误差，因此要用补偿法测量。

（1）保持补偿法测电阻实验接线图不变，将电阻换成二极管，注意二极管正、负极。

（2）仿照补偿法测电阻的实验步骤，先调节分压器R₁，使电压表读数为二极管D_X的待测电压，如0.1V，0.2V，0.3V，0.4V，0.5V，再调节分压器R₀，使检流计电流为零（保护电阻R_t开始调为最大，检流计接近零时R_t逐步调为零），从电流表分别读出相应的电流值，并在自拟的表格中记录数据。

【数据记录及处理】

（1）用直角坐标纸绘制内接法、外接法和补偿法测电阻的I—U特性曲线，从直线斜率倒数求出待测电阻，并计算其不确定度。

（3）用直角坐标纸绘制二极管正向I—U特性曲线，说明伏安特性的特点。

【测量举例】

实验条件：电压表0.5级，0～1V；电流表0.5级，0～300mA，待测电阻R_X＝3.9Ω。内接法测量。

（1）由表中数据，绘出I-U曲线（此处略）。

（2）由I-U曲线斜率倒数求出R_X测＝4.083Ω。

（3）求标准不确定度：

（4）结果：R＝R_X测±u_C（R）＝4.08±0.03Ω。显然内接法测得的阻值R_X测大于实际值R_X（3.9Ω）。

预习思考题

（1）用0.5级、内阻为500Ω/V的电压表测电压，若选30V量程，电压表内阻是多少？若选1.5V量程，电压表内阻是多少？

（2）欲测510Ω的电阻，电压表内阻R_V＝20kΩ，电流表内阻R_A＝1Ω，计算说明用电流表内接法好还是用电流表外接法好？

思　考　题

为什么不能用电流表内接法或外接法测二极管的I-U特性曲线？

【附录A】电表的参数

C31-A型安培表有12个量程（7.5mA—15mA—30mA—75mA—150mA～30A），0.5级，其内阻参数如下：

C31-V型伏特表有10个量程（45mV—75mV—3V—7.5V—15V—30V～600V），0.5级，C31-V型伏特表内阻参数如下：

C31-mV型伏特表有7个量程（45mV—75mV—150mV～3000mV），0.5级，C31-mV型伏特表内阻参数如下：

【附录B】灵敏检流计及其保护电阻的使用

灵敏检流计主要用来检测电路中的微弱电流。由于检流计主要用来检测电路中有无电流通过及电流方向，因此，其刻度采用零点居中式，而且刻度上也不标出相应的电流值。

图3-2-6　检流计开关式保护电阻

灵敏检流计使用之前，必须调零，即调节调零器使指针指零。调零后不要再改变它的位置，否则重新调零。若灵敏检流计长时间不使用，应使其置“短路”状态，若没有短路装置，可用导线将其两接线端短接，以防损坏。

作为零示器的检流计常串联一变阻器，当通入检流计的电流无法估计大小时，此电阻应取适当大的阻值（最大值），在测量过程中，随着检流计指针偏转角的减小逐步减小变阻器的阻值。这个变阻器称为检流计的保护电阻。

本实验使用的保护电阻是开关式保护电阻R_t，当开关打开为“粗”时，其阻值为10kΩ（最大值）；当开关置“细”时，其阻值为零；当开关置“断”时，检流计与电路断开。