電學元件的伏安特性

1、電學元件的伏安特性一個電學元件兩端電壓與通過電流之間的關系稱為伏安特性，通常用縱坐標表示電流I、橫坐標表示電壓U，以此畫出的I-U圖像稱為伏安特性曲線圖，用來研究電學元件的變化規(guī)律。電路中有各種電學元件，如碳膜電阻、線繞電阻，半導體二極管、三極管，以及光敏和熱敏元件等，人們需要了解它們的伏安特性，以便正確地選用?！緦嶒災康摹?1) 學習使用基本電學儀器及線路連接方法。 (2) 測繪電阻、小燈泡和二極管的伏安特性曲線，了解晶體二極管的單向導電特性，學會用圖線表示實驗結果。(3) 學習根據儀表等級正確記錄有效數(shù)字及計算儀表誤差【實驗儀器】直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、滑線式變阻器、直流數(shù)字電壓表、電流表、待測

2、電阻、待測小燈泡、待測二極管、導線?！緦嶒炘怼恳?、電學元件的伏安特性曲線1. 線性元件對于碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻等電學元件來說，在通常情況下，通過元件的電流與加在元件兩端的電壓成正比關系變化，即伏安特性曲線為一直線，這類元件稱為線性元件，如圖3-6-1所示圖3-6-1 線性元件的伏安特性2. 非線性元件通過半導體二極管、穩(wěn)壓管等元件的電流與元件兩端的電壓不是線性關系，其伏安特性為一曲線，這類元件稱為非線性元件。此類元件其阻值為變量，不僅與外加電壓的大小有關，而且還與其方向有關，圖3-6-2就是非線性元件的一種，稱為晶體二極管，又叫半導體二極管。圖3-6-2晶體二極管的伏安特性曲線半導

3、體的導電性能介于導體與絕緣體之間，如果在純凈的半導體中適當摻雜微量元素，其導電能力會顯著增加。根據摻入的雜質可將半導體分為兩種類型：一種是加入雜質后，在半導體中會產生許多帶負電的電子，稱為n型半導體，也叫電子型半導體；另一種是加入雜質后，半導體中會產生許多缺少電子的空穴，稱為p型半導體，也叫空穴型半導體。晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場；它有正負兩個電極，正極由p型半導體引出，負極由n型半導體引出，如圖3-6-3(a)所示。圖3-6-3晶體二極管的結構及其表示方法當不存在外加電壓時，由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和

4、自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，如圖3-6-4圖3-6-4 p-n結的形成和單向導電特性在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負極接在低電位端，二極管就會導通，這種連接方式，稱為正向偏置。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的相互抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流，如圖3-6-4，二極管最重要的特性就是單方向導電性。必須說明的是二極管兩端的正向電壓非常小時，二極管仍然不能導通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到某一數(shù)值(稱為“門檻電壓”，鍺二極管約為0.2V，硅二極管約為0.6V)以后，二極管才能真正導通；導通后二極管兩端的電壓基本上保持不變(鍺二

5、極管約為0.3V，硅二極管約為0.7V)，稱為二極管的“正向壓降”。在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止狀態(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0，如圖3-6-4當二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向導電特性，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術指標，稱為二極管的參數(shù)

6、。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。對初學者而言，必須了解以下幾個主要參數(shù)：1、額定正向工作電流是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度(硅二極管為140左右，鍺二極管為90左右)時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。例如常用的IN40014007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。2、最高反向工作電壓加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向導電能力。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。例如，IN4001二極管反向耐壓為50V，IN4007反向耐壓為1000V

7、。3、反向電流反向電流是指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下流過二極管的反向電流，反向電流越小，二極管的單向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。例如2AP1型鍺二極管，在25時反向電流若為250uA，溫度升高到35，反向電流將上升到500uA，依此類推，在75時，它的反向電流已達8mA，不僅失去了單方向導電特性，還會使管子過熱而損壞。二、分壓電路如圖3-6-5所示，將變阻器R的兩個固定端A和B接到直流電源E上，而將滑動端C和任一固定端(A或B，圖中為B)作為分壓的兩個輸出端接至負載RL。圖 3-6-5分壓電路圖3-6-5中B端電位最

8、低，C端電位較高，CB間分壓大小U隨滑動端C的位置改變而改變，U值可由電壓表來測量。變阻器的這種接法通常稱為分壓器接法。分壓器的安全位置一般是將C滑至B，這時分壓為零。三、實驗線路的比較與選擇圖 3-6-6電流表的內接法和外接法在測量電阻R的伏安特性的線路中，常用兩種接法，即圖3-6-6(a)中電流表內接法和圖3-6-6 (b)中電流表外接法。電壓表和電流表都有一定的內阻(分別設為RU和RI)。簡化處理時直接用電壓表讀數(shù)U除以電流I得到被測電阻值R，即，這樣會引起一定的系統(tǒng)誤差。當電流表內接時，電壓表讀數(shù)比電阻端電壓值大，這時應有 (3-6-1)在電流表外接時，電流表讀數(shù)比電阻R中流過的電流大

9、，這時應有 (3-6-2)顯然，如果簡單地用作為被測電阻值，電流表內接法的結果偏大，而電流表外接法的結果偏小，都有一定的系統(tǒng)誤差。為了減少上述系統(tǒng)誤差，測電阻的方案就可這樣選擇：比較和的大小(R取粗測值或已知約值)，前者大則選電流表內接法，后者大則選電流表外接法。如果實驗中所用的電壓表和電流表為指針式磁電式表，量程和準確度等級一定時，則誤差估算：由，得 (3-6-3)可見，要使電阻的測量準確度高，線路參數(shù)的選擇應使電表讀數(shù)盡可能接近滿量程?！咀⒁馐马棥?1)在每次改換線路之前都應將滑線式變阻器(分壓器)的輸出電壓調至最小，并斷開電源。(2)實驗操作時注意電壓表和電流表都不要超過量限?！緦嶒瀮热?/p>

10、】一、測繪電阻的伏安特性曲線線路的連接、電表量程的選取及電源的取值如圖3-6-7所示，在010 V范圍內測電阻的伏安特性，記錄數(shù)據填入表3-6-1中，并描繪出其伏安特性曲線。圖3-6-7測繪電阻的伏安特性線路圖二、測繪小燈泡的伏安特性曲線線路的連接、電表量程的選取及電源的取值如圖3-6-8所示。在02 V范圍內測量小燈泡的伏安特性，記錄數(shù)據填入表3-6-2中，并描繪其伏安特性曲線。圖3-6-8測繪小燈泡的伏安特性線路圖三、測繪二極管的伏安特性曲線(1)二極管正向伏安特性。線路的連接、電表量程的選取及電源的取值如圖3-6-9所示。將滑線式變阻器的滑動端調至電壓為零位置，然后接通電源，逐漸增加電壓

11、，測出8組電壓與相對應的電流值，填入表3-6-3中，并描繪其伏安特性曲線。實驗中要保證電流小于20 mA，以免燒壞二極管。(2)二極管反向伏安特性。線路的連接、電表量程的選取及電源的取值如圖3-6-10所示。測出二極管的反向伏安特性，并描繪其伏安特性曲線，實驗中保證電流小于100 A。(3)二極管的正向及反向伏安特性曲線應畫在同一個圖上，反向的U和I均取負值，坐標軸的正反向單位可以不同。 （a）正向 （b）反向圖3-6-9測繪二極管伏安特性線路圖【數(shù)據與結果】1. 電阻伏安特性曲線的測定（表3-6-1）表3-6-1測量序數(shù)12345678U/VI/mA2. 小燈泡的伏安特性曲線的測定表（表3-6-2）表3-6-2測量序數(shù)12345678U/VI/mA3. 二極管的伏安特性曲線的測定表（表3-6-3）表3-6-2測量序數(shù)12345678正向U/VI/mA反向U/VI/mA思考題1.