中国民航大学：《大学物理实验》课程教学资源（教案讲义）补偿法研究伏安特性

补偿法研究元件伏安特性 在现代电工和电子技术中，大量使用诸多各种电学特性的线性元件和非线性元件。无论 是电路元件的选用还是新型电子器件的开发都离不开元件电学特性的研究和测试。在电学元 件两端加上直流电压，使元件内部有电流通过，电流随电压变化的关系称为伏安特性。测绘 出电学元件的伏安特性曲线，可以通过图解求得元件的内阻或其伏安特性函数方程式。伏安 法是研究申路元件或材料电学特性常用的方法。木实验用补偿法研究金属隙线性申阻、半导 体二极管和钨丝小灯泡的伏安特性。半导体二极管广泛应 检波、箝位 性。的由路中，是电子电路中常用元器件。合种密 实验目的和学习要求 学习电路平衡补偿原理，掌握补偿法的使用条件。 自组补偿电路测绘金属膜电阻的伏安特性曲线。 3 4 历发法代安特性测试收绘半导货一极管和的丝小打泡的伏安特生 阻的阻值和钨丝灯泡的冷态极限电阻。练 习作图法处理数拥 学会检流计的保护使用。 实验原 用伏安法研究电路元件的伏安特性，常用的传统方法有电流表内接和电流表外接两种电 路：如图36和图37 Rx Rx 图3-6电流表内接 图3-7电流表外接 由测量电路可知，当采用电流表内接时，电流表内阻的压降使电压的测量存在系统 误差：当采用电流麦外接时，由于申压表的分流使申流的测量出现误差。因此无论采用内接 法还是外接法，测量结果都会有电表的接入误差。为了克服这种方法误差，我们采用补偿厨 理使电压的测量无需从测量回路分取电流，从而避免和消除电表的接入误差。 1补偿原理 如图38，两直流电源E,和E,同极相连，调滑动端 C,使检流计指零，此时A、C两点等电位，UB与UD在 D 数值上大小相等，称电路达到平衡补偿，伏特计指示即为 图38补偿原理 E,电动势。伏特计的工作电流由E,提供。 2.补偿法测电压的电路

补偿法研究元件伏安特性 在现代电工和电子技术中，大量使用诸多各种电学特性的线性元件和非线性元件。无论 是电路元件的选用还是新型电子器件的开发都离不开元件电学特性的研究和测试。在电学元 件两端加上直流电压，使元件内部有电流通过，电流随电压变化的关系称为伏安特性。测绘 出电学元件的伏安特性曲线，可以通过图解求得元件的内阻或其伏安特性函数方程式。伏安 法是研究电路元件或材料电学特性常用的方法。本实验用补偿法研究金属膜线性电阻、半导 体二极管和钨丝小灯泡的伏安特性。半导体二极管广泛应用于现代电子技术中的各种整流、 检波、箝位、无极性变换以及各种保护电路中，是电子电路中常用元器件。 实验目的和学习要求 1. 学习电路平衡补偿原理，掌握补偿法的使用条件。 2. 自组补偿电路测绘金属膜电阻的伏安特性曲线。 3. 用补偿法伏安特性测试仪测绘半导体二极管和钨丝小灯泡的伏安特性曲线。 4. 图解求金属膜电阻的阻值和钨丝灯泡的冷态极限电阻。练习作图法处理数据。 5. 学会检流计的保护使用。 实验原理 用伏安法研究电路元件的伏安特性，常用的传统方法有电流表内接和电流表外接两种电 路：如图 3-6 和图 3-7 由测量电路可知，当采用电流表内接时，电流表内阻的压降使电压的测量存在系统 误差；当采用电流表外接时，由于电压表的分流使电流的测量出现误差。因此无论采用内接 法还是外接法，测量结果都会有电表的接入误差。为了克服这种方法误差，我们采用补偿原 理使电压的测量无需从测量回路分取电流，从而避免和消除电表的接入误差。 1.补偿原理 如图 3-8，两直流电源 E 1 和 E 2 同极相连，调滑动端 C，使检流计指零，此时 A、C 两点等电位，U AB 与 U CD 在 数值上大小相等，称电路达到平衡补偿，伏特计指示即为 E 1 电动势。伏特计的工作电流由 E 2 提供。 2.补偿法测电压的电路 G V A B C D E1 E2 图 3-8 补偿原理

图3-9补偿法电压的电路 在补偿法测电压的电路中，闭合电健K。,调节C,使检流计指针指零，此时即与G 互相补偿，则电压表读出的电压值就是R两端的电压，电流表的读数即通过待测试元件的 电流。电压表无需从待测试元件上分取电流，这样就避免了由于电压表的分流而产生的系统 误差，可以准确的描绘出待测电阻元件的伏安特性曲线。 当A、B两点的电位差较大时，检流计可能发生很大偏转甚至损坏。为此，设置了检流 计的保护电阻R。,当R。选择合适的阻值时，在K。断开的情况下，可以保证检流计偏转不 超过满刻度。 仪器介绍 补偿法伏安特性测试仪采用双路可调直流稳压电源供电，可调节变阻器的分压电路输 出，通过补偿调节，使电路达到平衡，实现补偿法测半导体二极管、钨丝小灯泡、金属膜电 阻等不同类型电阻元件的伏安特性曲线，如图310。 -o 中图视题学技维理东给里 图310补偿法伏安特性测试仪 仪器特点及使用注意事项： (1)两路分压输出采用新型线绕式多圈电位器调节，并分别设置了两级调节，改善调节 精度，可准确设置测量点。 (2)平衡补偿回路灵敏度设置粗、中、细三档，可根据电源及测量要求选择使用。 (3)双路电源同极相连，电源插头限位连接，深颜色导线为正极，白色导线为负极， (4)测小灯泡伏安特性请注意其额定功率(6.3伏，0.3安培)，以免烧毁

在补偿法测电压的电路中，闭合电键 K0 ，调节 C2 ，使检流计指针指零，此时 VBD 与 VAC 互相补偿，则电压表读出的电压值就是 Rx 两端的电压，电流表的读数即通过待测试元件的 电流。电压表无需从待测试元件上分取电流，这样就避免了由于电压表的分流而产生的系统 误差，可以准确的描绘出待测电阻元件的伏安特性曲线。 当A、B两点的电位差较大时，检流计可能发生很大偏转甚至损坏。为此，设置了检流 计的保护电阻 Rg ，当 Rg 选择合适的阻值时，在 K0 断开的情况下，可以保证检流计偏转不 超过满刻度。 仪器介绍 补偿法伏安特性测试仪采用双路可调直流稳压电源供电，可调节变阻器的分压电路输 出，通过补偿调节，使电路达到平衡，实现补偿法测半导体二极管、钨丝小灯泡、金属膜电 阻等不同类型电阻元件的伏安特性曲线，如图 3-10。 图 3-10 补偿法伏安特性测试仪 仪器特点及使用注意事项： （1）两路分压输出采用新型线绕式多圈电位器调节，并分别设置了两级调节，改善调节 精度，可准确设置测量点。 （2）平衡补偿回路灵敏度设置粗、中、细三档，可根据电源及测量要求选择使用。 （3）双路电源同极相连，电源插头限位连接，深颜色导线为正极，白色导线为负极。 （4）测小灯泡伏安特性请注意其额定功率（6.3 伏，0.3 安培），以免烧毁

(5)半导体二极管(F307)工作电压不要超过1伏 实验内容和操作步骤 路测绘 根据被测电阻的阻值以及电流表、电压表的量程，给出E,、E,和保护电阻R的值。 (2)设置直流电源的两路输出为E,=E,检查电压表、电流表、检流计是香机械指零。 (3).闭合电键K,、K2,调节C,使电流表指示为1，调节C,使检流计指示为“0”， 闭合电键K。,仔细调节C,使检流计准确指零，读取电流表和电压表的读数，填入数据 记录表格中。（自拟数据记录表格） (4)改变C,的位置，使电流表读数分别为12、…，重复步骤3，直到电压表和电 流表中任一只先达到或接近满刻度为止。（请设计测量8~10组数据） (5)记录测量仪器仪表的规格、型号、级别等有关参数。 (6)根据测量数据，描绘所测电阻的伏安特性曲线，如图 31 (7)在图上取两点P,、P,, 求斜率K=为上 x-x 求电阻的阻值：R= 0 U 图31线性电阻的伏安特 2、测量半导体二极管的正向伏安特性曲线 (1)把电流表(500μA)、电压表(3V)、检流计（±50μA)接入补偿法伏安特性测试 仪电路。电源E,、E,给出1V接入电路，两路分压调节置最小输出位置。 (2)接通二极管回路，调节C2,使电压表示值为 I/mA 0.1V。调C,使检流计指零。闭合K知，调C,使检流计 指零。此时电流计没有读数，说明二极管截止。 (3)调C2使电压表示数分别为0.2,03，-V,调 C,使检流计指零，至电流表有读数时，记下电压表、电0 w 流表读数。 图312二极管伏安特性 (4)调C2使电压表示数每改变0.05V调节一次平衡 曲线 记下相应的电压表和电流表读数值。 (5)500μA电流表量程不够时，换上量程为150mA电流表，继续测量至电流大约为 130mA时停止测量

（5）半导体二极管（FR307）工作电压不要超过 1 伏 实验内容和操作步骤 1．自组补偿电路测绘金属膜电阻的伏安特性曲线 （1）用回路接线法按图3-9连接补偿法测量电压的电路。用多用表粗测被测电阻的阻值。 根据被测电阻的阻值以及电流表、电压表的量程，给出 E1、 E2 和保护电阻 Rg 的值 。 （2）设置直流电源的两路输出为 E1 = E2 ，检查电压表、电流表、检流计是否机械指零。 （3）.闭合电键 K1 、K2 ，调节 C1 ，使电流表指示为 1 I ，调节 C2 使检流计指示为“ 0 ”， 闭合电键 K0 ，仔细调节 C2 ，使检流计准确指零，读取电流表和电压表的读数，填入数据 记录表格中。（自拟数据记录表格） （4）改变 C1 的位置，使电流表读数分别为 2 I 、 3 I ……，重复步骤３，直到电压表和电 流表中任一只先达到或接近满刻度为止。（请设计测量8～10组数据） （5）记录测量仪器仪表的规格、型号、级别等有关参数。 （6）根据测量数据，描绘所测电阻的伏安特性曲线，如图 3-11。 （7）在图上取两点 P 1、P 2 ， 求斜率 K= 2 1 2 1 x x y y − − ， 求电阻的阻值： R= K 1  2、测量半导体二极管的正向伏安特性曲线 （1）把电流表（500μA）、电压表（3V）、检流计（±50μA）接入补偿法伏安特性测试 仪电路。电源 E 1、E 2 给出 1V 接入电路，两路分压调节置最小输出位置。 （2）接通二极管回路，调节 C 2 ，使电压表示值为 0.1V。调 C 1 使检流计指零。闭合 K 细 ，调 C 1 使检流计 指零。此时电流计没有读数，说明二极管截止。 （3）调 C 2 使电压表示数分别为 0.2 ，0.3，┈V，调 C 1 使检流计指零，至电流表有读数时，记下电压表、电 流表读数。 （4）调C 2 使电压表示数每改变0.05V调节一次平衡， 记下相应的电压表和电流表读数值。 （5）500μA 电流表量程不够时，换上量程为 150mA 电流表，继续测量至电流大约为 130mA 时停止测量。 I/mA 0 U/v 图 3-12 二极管伏安特性 曲线 I/mA 0 U/v 图 3-11 线性电阻的伏安特 性曲线

6)在坐标纸上以电压U为横坐标，电流【为纵坐标描绘二极管的伏安特性曲线，如图 3-12 3、测量钨丝小灯泡(6.3V、0.3A)的伏安特性曲线。 (1)将E,、E,分压输出置最小位置，给出E,、E,均为 I/mA 6V. (2)接通小灯泡测量电路，调C,使电压输出为0.1V,调 C,使检流计指零，闭和K。,仔细调C,使检流计指零，记 录电流表和电压表读数。 图313小灯泡的伏安特性 曲线 (3)调C2使电压输出分别为0.2、04、0.6、0.8…1V, 调检流计平衡指零，记录相应的电流表和电压表读数 (4)小灯泡钨丝电阻在1V以下的伏安特性有明显的非线性变化，因此测量取点要间隔 小一些，1V以上的伏安特性曲线较平直，取点间隔可以大一些。1V以上我们分别取2V、 3V、4V、5V、6V,为测量点，调C,使检流计指零，记录相应的电流表和电压表读数。 (5)根据测量数据，描绘小灯泡的伏安特性曲线，如图3-13 4、测定灯泡中钨丝的冷态电阻 冷态电阻是指钨丝不通电时的电阻，不能直接进行测量，可以考虑用R一H图线外推， 得到1=0时的电阻值。为此，我们可以在不同小电流下 测量出若干组(U,、【,)数据，算出对应于每一组(U, I,)数据的电阻值R,。做R一I图线，根据R一图线的 变化趋势，将图线延长至0，得到图线在纵轴上的截 距R。,R,就是钨丝的冷态电阻，如图3-14。 0 I/mA 图314外推法求冷态电阻的R1 数据处理 曲线 1,根据实验数据作图描绘金属膜电阻、半导体二极 管、钨丝小灯泡的伏安特性曲线。 2.在所做金属膜电阻的伏安特性直线上取两点，求出直线的斜率和所测电阻的阻值。 3.作钨丝的R-图线，用非线性外推法求钨丝的冷态电阻。 思考题 1,何谓补偿原理？为什么用补偿法测电压就没有电表的接入误差？ 2.使用检流计时，如何保护检流计不会受到过大电流的冲击？画出电路图，叙述操作步 3根据线性电阻的伏安特性曲线计算斜率求电阻值时，在图线上取点的原则是什么？ 4.在补偿法测电压的电路中，如果不用保护电阻，请思考如何保证检流计不会被损坏？

（6）在坐标纸上以电压 U 为横坐标，电流 I 为纵坐标描绘二极管的伏安特性曲线，如图 3-12。 3、测量钨丝小灯泡（6.3V、0.3A）的伏安特性曲线。 （1）将 E 1、E 2 分压输出置最小位置，给出 E 1、E 2 均为 6V。 （2）接通小灯泡测量电路，调 C 2 使电压输出为 0.1V，调 C 1 使检流计指零，闭和 K 细 ，仔细调 C 1 使检流计指零，记 录电流表和电压表读数。 （3）调 C 2 使电压输出分别为 0.2、0.4、0.6、0.8……1V， 调检流计平衡指零，记录相应的电流表和电压表读数。 （4）小灯泡钨丝电阻在 1V 以下的伏安特性有明显的非线性变化，因此测量取点要间隔 小一些，1V 以上的伏安特性曲线较平直，取点间隔可以大一些。1V 以上我们分别取 2V、 3V、4V、5V、6V，为测量点，调 C 1 使检流计指零，记录相应的电流表和电压表读数。 （5）根据测量数据，描绘小灯泡的伏安特性曲线，如图 3-13 4、测定灯泡中钨丝的冷态电阻 冷态电阻是指钨丝不通电时的电阻，不能直接进行测量，可以考虑用 R—I 图线外推， 得到 I=0 时的电阻值。为此，我们可以在不同小电流下 测量出若干组（U i 、I i ）数据，算出对应于每一组（U i 、 I i ）数据的电阻值 R i 。做 R—I 图线，根据 R—I 图线的 变化趋势，将图线延长至 I=0，得到图线在纵轴上的截 距 R 0，R 0 就是钨丝的冷态电阻，如图 3-14。 数据处理 1. 根据实验数据作图描绘金属膜电阻、半导体二极 管、钨丝小灯泡的伏安特性曲线。 2. 在所做金属膜电阻的伏安特性直线上取两点，求出直线的斜率和所测电阻的阻值。 3. 作钨丝的 R-I 图线，用非线性外推法求钨丝的冷态电阻。 思考题 - 1．何谓补偿原理？为什么用补偿法测电压就没有电表的接入误差？ - 2. 使用检流计时，如何保护检流计不会受到过大电流的冲击？画出电路图，叙述操作步 骤。 - 3 .根据线性电阻的伏安特性曲线计算斜率求电阻值时，在图线上取点的原则是什么？ - 4. 在补偿法测电压的电路中，如果不用保护电阻，请思考如何保证检流计不会被损坏？ I/mA 0 U/v 图 3-13 小灯泡的伏安特性 曲线 R/Ω 0 I/mA 图 3-14 外推法求冷态电阻的 R-I 曲线 R 0