实验19 电阻伏安特性及电源外特性的测量一、实验目的1. 学习测量线性和非线性电阻元件伏安特性的方法，并绘制其特性曲线；2. 学习测量电源外特性的方法；3. 掌握运用伏安法判定电阻元件类型的方法；4. 学习使用直流电压表、电流表，掌握电压、电流的测量方法。

二、实验仪器直流恒压源恒流源，数字万用表，各种电阻 11只，白炽灯泡1只（12V/3W）及灯座，稳压二极管（2CW56），电位器（470 /2W），短接桥和连接导线及九孔插件方板三、实验原理1. 电阻元件（1）伏安特性二端电阻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。

通过一定的测量电路，用电压表、电流表可测定电阻元件的伏安特性，由测得的伏安特性可了解该元件的性质。

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）。

根据测量所得数据，画出该电阻元件的伏安特性曲线。

（2）线性电阻元件线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律。

可表示为：U=IR，其中R为常量，它不随其电压或电流改变而改变，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19-1(a) 线性电阻的伏安特性曲线 (b) 非线性电阻的伏安特性曲线图19-1 伏安特性曲线..（a ）所示。

（3）非线性电阻元件非线性电阻元件不遵循欧姆定律，它的阻值R 随着其电压或电流的改变而改变，其伏安特性是一条过坐标原点的曲线，如图19-1（b ）所示。

（4）测量方法在被测电阻元件上施加不同极性和幅值的电压，测量出流过该元件中的电流；或在被测电阻元件中通入不同方向和幅值的电流，测量该元件两端的电压，便得到被测电阻元件的伏安特性。

2. 直流电压源 （1）直流电压源理想的直流电压源输出固定幅值的电压，而它的输出电流大小取决于它所连接的外电路。

因此它的外特性曲线是平行于电流轴的直线，如图19-2（a ）中实线所示。

实际电压源的外特性曲线如图19-2（a ）虚线所示，在线性工作区它可以用一个理想电压源Us 和内电阻Rs 相串联的电路模型来表示，如图19-2（b ）所示。

图19-2（a ）中角θ越大，说明实际电压源内阻Rs 值越大。

实际电压源的电压U 和电流I 的关系式为：I R U U S S ⋅-= （19-1）（2）测量方法将电压源与一可调负载电阻串联，改变负载电阻R 2的阻值，测量出相应的电压源电流和端电压，便可以得到被测电压源的外特性。

图19-2 电压源特性3. 直流电流源（1）直流电流源理想的直流电流源输出固定幅值的电流，而其端电压的大小取决于外电路，因此它的外特性曲线是平行于电压轴的直线，如图19-3（a）中实线所示。

实际电流源的外特性曲线如图19-3（a）中虚线所示。

在线性工作区它可以用一个理想电流源Is和内电导Gs （Gs=1/Rs）相并联的电路模型来表示，如图19-3（b）所示。

图19-3（a）中的角θ越大，说明实际电流源内电导Gs值越大。

实际电流源的电流I和电压U的关系式为：SSGUII⋅-=（19-2）（2）测量方法电流源外特性的测量与电压源的测量方法一样。

四、实验步骤1. 测量线性电阻元件的伏安特性（1）按图19-4接线，取R L=47Ω，Us用直流稳压电源，先将稳压电源输出电压旋钮置于零位。

（2）调节稳压电源输出电压旋钮，使电压Us分别为0V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V，并测量对应的电流值和负载R L两端电压U，数据记入表1。

然后断开电源，稳压电源输出电压旋钮置于零位。

（3）根据测得的数据，在下面坐标平面上绘制出R L= 47Ω电阻的伏安特性曲线。

图19-3 电流源外特性Us（v）0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I（mA）U（v）R=U/I（Ω）2. 测量非线性电阻元件的伏安特性（钨丝灯电阻伏安特性测量）通过本实验了解钨丝灯电阻随施加电压增加而增加的特性，并了解钨丝灯的使用情况。

实验仪用灯泡中钨丝和家用白炽灯泡中钨丝同属一种材料，但丝的粗细和长短不同。

本实验的钨丝灯泡规格为12V 0.1A。

金属钨的电阻温度系数为4.8×10-3 /℃，为正温度系数，当灯泡两端施加电压后，钨丝上就有电流流过，产生功耗，灯丝温度上升，致使灯泡电阻增加。

灯泡不加电时电阻称为冷态电阻。

施加额定电压时测得的电阻称为热态电阻。

由于钨丝点亮时温度很高，超过额定电压时，会烧断，所以使用时不能超过额定电压。

在一定的电流范围内，电压和电流的关系为：nKIU=（19-3）式中U—灯泡二端电压，I—灯泡流过的电流，K，N—与灯泡有关的常数为了求得常数K和n，可以通过二次测量所得U1、I1和U2、I2，得到：nKIU11=（19-4）nKIU22=（19-5）将式（19-4）除以式（19-5）式可得图19-4 线性电阻元件的实验线路图19-5 钨丝灯泡伏安特性测试电路..2121lg lgI IU U n =（19-6）将式（19-6）式代入式（19-4）式可以得到：nI U K -=11（19-7）注意：一定要控制好钨丝灯泡的两端电压！严禁超过额定电压！灯泡电阻在端电压12V 范围内，大约为几欧到一百多欧姆，电压表在20V 档内阻为1MΩ，远大于灯泡电阻，而电流表在200mA 档时内阻为10Ω或1Ω（因万用表不同而不同），和灯泡电阻相比，小得不多，宜采用电流表外接法测量，电路图见图19-5。

注意：接线前应确认电压源的输出已经调到最小！按表2规定的过程，逐步增加电源电压，注意不要超过12V ！记录相应的电流表数据。

在坐标纸上画出钨丝灯泡的伏安特性曲线，并将电阻计算值也标注在坐标图上。

选择二对数据，按式（19-6）和式（19-7）式计算出K 、n 两个数值。

由此写出式（19-3）式，并进行多点验证。

3. 测量直流电压源的伏安特性（1）按图19-6接线，将直流稳压电源视作直流电压源，取R=100Ω。

（2）稳压电源的输出电压调节为Us=10V ，改变电阻R L 的值，使其分别为100Ω、47Ω、20Ω、10Ω、5.1Ω、1Ω，测量其相对应的电流I 和直流电压源端电压U ，记于表3中。

（3）根据测得的数据在坐标平面上绘制出直流电压源的伏安特性曲线。

.4. 测量实际直流电压源的伏安特性图19-6 电压源实验线路图19-7 实际电压源实验线路（1）按图19-7接线，将直流稳压电源Us与电阻R o（取47Ω）相串联来模拟实际直流电压源，如图中虚线框内所示，取R=100Ω。

（2）将稳压电源输出电压调节为Us=10V，改变电阻R L的值，使其分别为100Ω、47Ω、20Ω、10Ω、5.1Ω、1Ω，测量其相对应的实际电压源端电压U和电流I，记入表4中。

表4 实际电压源实验数据R L（Ω）100 47 20 10 5.1 1I（mA）U（V）（3）根据测得的数据在下面平面坐标上绘制实际电压源的伏安特性曲线。

5. 测量直流电流源的伏安特性（1）按图19-8接线，R L为可变负载电阻。

图19-8 电流源实验线路图19-9 实际电流源实验线路（2）调节直流稳电源的输出电流为Is=25mA，改变R L的值分别为300Ω、200Ω、100Ω、50Ω、20Ω，（其中300Ω采用200Ω与100Ω串联，50Ω采用2个100Ω并联），测量对应时电..流I和电压U，记入表5中。

R L（Ω）300 200 100 50 20I（mA）U（V）（3）根据测得的数据在坐标平面上绘制电流源的伏安特性曲线。

6. 测量实际直流电流源的伏安特性（1）按图19-9接线，R L为负载电阻，取R o= 1kΩ，将R o与电流源并联来模拟实际电流源，如图中虚线框内所示。

（2）调节电流源输出电流Is=25mA，改变R L的值分别为300Ω、200Ω、100Ω、50Ω、20Ω，测量对应的电流I和电压U，记入表6中。

R L（Ω）300 200 100 50 20I（mA）U（V）（3）根据测得的数据在坐标平面上绘制实际电流源的伏安特性曲线。

五、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，并选取适当的量限。

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.实验中用到的R L可以用470Ω/2W的电位器代替，通过调节电位器接入不同的R L（用万用表测出），并记下各测量数据。

六、分析和讨论1.比较47Ω电阻与白炽灯的伏安特性曲线，可得出什么结论？2.试从钨丝灯泡的伏安特性曲线解释为什么在开灯的时候容易烧坏？3.在电子振荡器电路中，经常利用正温度系数的灯泡，作为振荡器电压稳定的自动调节元件，参考电路图19-10，试从钨丝灯伏安特性说明该振荡器稳幅原理。

4.根据不同的伏安特性曲线的性质区分它们为何种性质的电阻？5.通过元件伏安特性曲线分析欧姆定律对哪些元件成图19-10 钨丝灯稳幅的1KHz振荡电路立？哪些元件不成立？6.比较直流电压源和实际直流电压源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？7.比较直流电流源和实际直流电流源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？8.稳压电源串联电阻构成的电压源，它的输出电压与输出电流之间有什么关系？是否能写出伏安特性方程式？9.选取表6中的任一组实验结果，按式（19-2）计算出Rs、Gs和实验参数比较。

附一：二极管伏安特性曲线的研究1．实验目的通过对二极管伏安特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特性，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。

2．伏安特性描述对二极管施加正向偏置电压时，则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，而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。

对上述二种器件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现察，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。

二极管伏安特性示意见图19-F1-1，19-F1-2。

实验设计..图19-F1－1 锗二极管伏安特性图19-F1－2 硅二极管伏安特性（1）反向特性测试电路图19-F1-3 二极管反向特性测试电路二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。

测试电路如图19-F1-3，电阻选择510Ω。

（2）正向特性测试电路图19-F1-4 二极管正向特性测试电路二极管在正向导通时，呈现的电阻值较小，宜采用电流表外接测试电路。

电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置510Ω，调节电源电压，以得到所需电流值。