一、实验目的
1、熟悉立创EDA仿真平台的使用。
2、掌握线性电阻、非线性元件及电压源和电流源的伏安特性的测试方法。
二、实验原理
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I=f(U)表示,即I-U平面上的一条曲线来表征,即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曲线所示,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”的阻值相差几倍至几十倍,所以它的伏安特性曲线如图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,其伏安特性曲线如图1-1中c曲线所示。正向压降很小(一般的锗管约为0.2~0.3V, 硅管约为0.5~0.7V),正向电流随正向压降的升高而急剧上升,而反向电压从零一直增加到几十伏时,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,如图1-1中d曲线所示。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,以后它的端电压将维持恒定,不再随外加的反向电压升高而增大。注意:流过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。
图 1-1 各种电路元件的伏安特性曲线
三、实验内容
1、测定线性电阻器的伏安特性
打开立创EDA仿真版本:https://lceda.cn/editor#mode=sim。
新建一个工程并保存,在仿真图纸上按照图1-2中所示的电路从仿真基础库中找到对应器件并进行连线。
图1-2
其中,V1为电压源_直流源(DC);XMM1为万用表,类型选择安培计;XMM2为万用表,类型选择伏特计;R1为电阻,采用欧标样式,阻值设定为200Ω。
放置完成后,Ctrl+S保存当前工程,点击顶层菜单栏的“运行仿真”。然后会跳出如下图1-3 所示的页面,万用表可以实时显示数值。
图1-3 仿真图万用表数值显示
改变V1的直流值,从0伏开始增加,一直到10V,记下相应的电压表和电流表的读数UR、I。
UR(V) |
0 |
3 |
4 |
5 |
7 |
8 |
10 |
I(mA) |
|
|
|
|
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改变R1电阻值为1KΩ,重复上述仿真实验步骤,记下相应的电压表和电流表的读数UR、I。
UR(V) |
0 |
3 |
4 |
5 |
7 |
8 |
10 |
I(mA) |
|
|
|
|
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2、测定半导体二极管的伏安特性
按图1-4接线,其中,V3为电压源_直流源(DC);XMM5为万用表,类型选择安培计;XMM6为万用表,类型选择伏特计;R3为限流电阻,采用欧标样式,阻值设定为200Ω;D2为二极管1N4148。
测二极管的正向特性时,限制正向电流不超过35mA,二极管D的正向施压UD+可在0~0.75V之间取值,特别是在0.5~0.75V之间更应多取几个测量点。
图1-4 二极管正接
表1 正向特性实验数据
U(V) |
0.10 |
0.20 |
0.30 |
0.4 |
0.50 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
UD(V) |
|
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|
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I (mA) |
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U(V) |
0.9 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
UD(V) |
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I (mA) |
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U(V) |
8 |
9 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
UD(V) |
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|
|
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|
I (mA) |
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|
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测二极管的反向特性时,只需将图2-3中的二极管D反接,如图1-5,且其反向施压UD-可加到30V。
图1-5 二极管反接
表2 反向特性实验数据
U(V) |
3 |
5 |
10 |
20 |
30 |
35 |
40 |
UD(V) |
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I (mA) |
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3、测定稳压二极管的伏安特性
只要将图1-4中的二极管换成稳压二极管(BZX84C10L),如图1-6,重复实验内容2的测量。
图1-6 稳压管正接
表3 正向特性实验数据
U(V) |
0.10 |
0.20 |
0.30 |
0.4 |
0.50 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
UD(V) |
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I (mA) |
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U(V) |
0.9 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
UD(V) |
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|
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|
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|
I (mA) |
|
|
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U(V) |
8 |
9 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
UD(V) |
|
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I (mA) |
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图1-7 稳压管反接
表4 反向特性实验数据
U(V) |
0.5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
UD(V) |
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I (mA) |
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U(V) |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
15 |
20 |
25 |
UD(V) |
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I (mA) |
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4、测定电压源伏安特性
图1-8 电压源伏安特性测试
按图1-8连接电路图,调节U为5V,改变R10的值,测量UR(可调电阻两端电压)和I的值。记入下表中:
RL(Ω) |
100 |
200 |
300 |
500 |
600 |
700 |
800 |
I(mA) |
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UR (V) |
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5、测定电流源伏安特性
图1-9 电流源伏安特性测试
按图1-9接好电路图,调节I为100mA。改变R14的值,测量UR(可调电阻两端电压)和I的值。记入表中:
RL(Ω) |
100 |
200 |
300 |
500 |
600 |
700 |
800 |
I(mA) |
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UR (V) |
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四、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I = f(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?
五、实验报告
1、根据各实验数据,绘制出各元件不同测试条件下的伏安特性曲线。
2、根据实验结果,总结、归纳各被测元件的特性。