电路元器件参数的测量课件

1、单元5 电路元器件参数的测量12335. 1 阻容元件的测量5. 2 二极管、 三极管的测量5. 3 晶体管特性图示仪返回5. 1 阻容元件的测量阻容元件包括电阻、电容、电感等元件。其参数测量的方法有多种, 常用来测量阻容元件的仪器有万用表、数字电桥、高频Q 表等。5.1.1 电阻的测量电阻的主要物理特性是对电流呈现阻力, 消耗电能, 但由于构造上有线绕或刻槽而使得电阻存在引线电感和分布电容, 其等效电路如图5 -1 所示。当电阻工作于低频时, 电阻分量起主要作用, 电抗部分可以忽略不计, 即忽略L0 和C0 的影响, 此时只需测出R 值就可以了。但当工作频率升高时, 电抗分量就不能再忽略不计

2、。此外, 工作于交流电路中的电阻, 由于集肤效应、涡流损耗、绝缘损耗等原因,其等效电阻随频率的不同而不同。实验表明, 当频率在1 kHz 以下时, 电阻的交流阻值与直流阻值相差不超过1 10 -4 , 随着频率的升高, 其间的差值随之增大。下一页返回5. 1 阻容元件的测量1.固定电阻的测量1) 万用表测量电阻模拟式和数字式万用表都有电阻测量挡, 都可以用来测量电阻, 测量时先选择好万用表电阻挡的倍率或量程范围, 然后将两个输入端(称表笔) 短路调零, 最后将万用表并接在被测电阻的两端, 读出电阻值即可。在用万用表测量电阻时应注意以下几个问题。(1) 要防止把双手和电阻的两个端子及万用表的两个

3、表笔并联在一起, 因为这样测得的阻值为人体电阻与被测电阻并联后的等效电阻的阻值, 而不是被测电阻的阻值。在测几千欧以上的电阻时, 尤其要注意这一点, 否则会得到误差超出容许值的测量结果。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量(2) 当电阻连接在电路中时, 首先应将电路的电源断开, 绝不允许带电测量电阻值。若电路中有电容器时, 应先将电容器放电后再进行测量。若电阻两端与其他元件相连, 则应断开一端后再测量, 否则电阻两端连接的其他电路会造成测量结果错误。(3) 用万用表测量电阻时, 万用表内部电路通过被测电阻构成回路, 也就是说测量时,被测电阻中有直流电流流过, 并在被测电阻两端产生一定的电压

4、降, 因此, 在用万用表测量电阻时应注意被测电阻所能承受的电压和电流值, 以免损坏被测电阻。(4) 万用表测量电阻时, 不同倍率挡的零点不同, 每换一挡都应重新调零, 当某一挡调零时不能使指针回到0 欧姆处, 则表明表内电池电压不足了, 需要更换新电池。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量(5) 由于模拟式万用表电阻挡刻度的非线性, 使得刻度误差较大, 测量误差也较大,因而模拟式万用表只能作一般性的粗略检查测量。2) 电桥法测量电阻电桥法是利用示零电路作测量指示器, 根据电桥电路平衡条件来确定阻抗值的测量方法。其工作频率较宽, 测量精度较高, 可达10 -4 , 比较适合低频阻抗元件的测量

5、。利用该原理做成的测量仪器, 称为电桥。按照所用电源的不同, 可分为直流电桥和交流电桥两大类。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量直流电桥又称为惠斯登电桥, 主要用来测量直流电阻, 其原理构成如图5 - 2 所示, R1 、R2 是固定电阻, 称为比率臂, 比例系数K = R1 / R2 可通过量程开关进行调节; R0 为标准电阻, 称为标准臂; Rx 为被测电阻; G 为检流计。测量时接上被测电阻, 然后接通直流电源, 调节K 和R0, 使电桥平衡, 即检流计指示为零, 读出K 和R0 的值,即可求得Rx 。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量3) 伏安法测量电阻伏安法是一种间接测量

6、法, 理论依据是欧姆定律R = U / I, 给被测电阻施加一定的电压,所加电压应不超出被测电阻的承受能力, 然后, 用电压表和电流表分别测出被测电阻两端的电压和流过它的电流, 即可算出被测电阻的阻值。伏安法测量电阻的原理简单, 测量方便, 尤其适用于测量非线性电阻的伏安特性。伏安法有电压表前接和电压表后接两种测量电路, 其原理图如图5 -3 所示。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量图5 -3 (a) 所示电路称为电压表前接法。可见, 电压表测得的电压为被测电阻Rx 两端的电压与电流表内阻RA 压降之和。因此, 根据欧姆定律求得的测量值为图5 -3 (b) 所示电路为电压表后接法。可见,

7、 电流表测得的电流为流过被测电阻Rx的电流与流过电压表内阻RV 的电流之和。因此, 根据欧姆定律求得的测量值为上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量在使用伏安法时, 应根据被测电阻的大小, 选择合适的测量电路, 如果预先无法估计被测电阻的大小, 可以用两个电路都试一下, 看两种电路中电压表和电流表读数的差别情况,若两种电路中电压表的读数差别比电流表的读数差别小, 则可选择电压表前接法, 即如图5 -3 (a) 所示电路; 反之, 则可选择电压表后接法, 即如图5 -3 (b) 所示电路。2.电位器的测量1) 用万用表测量电位器用万用表测量电位器的方法与测量固定电阻的方法相同。测量时缓慢调节滑

8、动端, 应滑动灵活, 松紧适度, 听不到“咝咝”的噪声, 电阻值指示平稳变化, 没有跳变现象, 否则说明滑动端接触不良, 或滑动端的引出机构内部存在故障。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量2) 用示波器测量电位器的噪声如图5 -4 所示, 给电位器两端外接适当的直流电源E, E 的大小应不致造成电位器超功耗, 最好用电池, 因为电池没有纹波电压和噪声, 让恒定电流流过电位器, 缓慢调节电位器的滑动端, 在示波器的荧光屏上显示出一条光滑的水平亮线, 随着电位器滑动端的调节, 水平亮线在垂直方向移动, 若水平亮线上有不规则的毛刺出现, 则表示有滑动噪声或静态噪声存在。3.非线性电阻的测量非线

9、性电阻如热敏电阻、二极管的内阻等, 它们的阻值与工作环境以及外加电压和电流的大小有关, 一般采用专用设备测量其特性。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量5.1.2 电容的测量电容器是电路中最常见的基本元件之一, 它主要起储存电能的作用, 在电路中多用于滤波、隔直、交流耦合、交流旁路以及和电感元件构成振荡电路。电容器由两金属片和中间的绝缘介质构成, 由于绝缘电阻(绝缘介质的损耗) 和引线电感的存在, 其实际等效电路如图5 -5 (a) 所示。在工作频率较低时, 可以忽略L0 的影响, 等效电路可简化为如图5 -5 (b) 所示电路。因此, 电容的测量主要包括电容量值与电容器损耗(通常用损耗因

10、数D 表示) 这两部分内容, 有时需要测量电容器的分布电感。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量1.谐振法测量电容量谐振法又称Q 表法, 它是以LC 谐振回路的谐振特性为基础进行测量的方法。谐振法测量原理如图5 -6 所示, 它由交流信号源、交流电压表、标准电感L 和被测电容Cx 连成的并联电路, 其中C0 为标准电感的分布电容。测量时, 调节信号源的频率, 使并联电路谐振,即交流电压表读数达到最大值, 反复调节几次, 确定电压表读数最大时所对应的信号源的频率f, 则被测电容值Cx 为上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量2.交流电桥法测量电容量和损耗因数交流电桥可以测量电阻、电容、电感

11、元件的参数, 交流电桥有串联和并联两种电桥接法, 如图5 -7 (a)、(b) 所示。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量测量时, 先根据被测电容的范围, 通过改变R3 来选取一定的量程, 然后反复调节R4 和R0 使电桥平衡, 即检流计读数最小, 从R4、R3 刻度读Cx 和Dx 的值。这种电桥适用于测量损耗小的电容器。对于图5 -7 (b) 所示的并联电桥, Cx 为被测电容, Rx 为其等效并联损耗电阻, 测量时, R0 和C0 使电桥平衡, 此时这种电桥适用于测量损耗较大的电容。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量3.用万用表估测电容用模拟式万用表的电阻挡测量电容器时, 不能测

12、出其容量和漏电阻的确切数值, 更不能知道电容器所能承受的耐压, 但对电容器的好坏程度能粗略判别, 故在实际工作中经常使用。1) 估测电容量将万用表设置在电阻挡, 将表笔并接在被测电容的两端, 在器件与表笔相接的瞬间, 表针摆动幅度越大, 表示电容量越大, 这种方法一般用来估测0.01 F 以上的电容器。2) 电容器漏电阻的估测上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量除铝电解电容器外, 普通电容器的绝缘电阻应大于10 M, 用万用表测量电容器漏电阻时, 万用表置“ 1K”或“ 10K”倍率挡, 当表笔与被测电容并接的瞬间, 表针会偏转很大的角度, 然后逐渐回转, 经过一定时间, 表针退回到处,

13、说明被测电容器的漏电阻极大, 若表针回不到处, 则示值即为被测电容器的漏电阻值。铝电解电容的漏电阻应超过200 k才能使用。若表针偏转一定角度后, 无逐渐回转现象, 说明被测电容器已被击穿,不能使用了。4.电容的数字化测量方法一般采用电容- 电压转换器实现电容的数字化测量, 该转换器如图5 -8 所示。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量5.1.3 电感的测量电感的主要特性是储存磁场能。但由于它一般是用金属导线绕制而成的, 所以有绕线电阻R (对于磁芯电感还应包括磁性材料插入的损耗电阻) 和线圈匝与匝之间的分布电容,故其等效电路如图5 -9 (a) 所示。采用一些特殊的制作工艺, 可减小分

14、布电容C0。当C0较小, 工作频率也较低时, 分布电容可忽略不计, 等效电路可简化为如图5 -9 (b) 所示电路, 因此, 电感的测量主要包括电感量和损耗(通常用品质因数Q 表示) 两部分内容。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量1.谐振法测量电感图5 -10 所示为并联谐振法测量电感的电路, 其中C 为标准电容, L 为被测电感, C0为被测电感的分布电容。测量时, 调节信号源频率, 使电路谐振, 即电压表指示最大, 记下此时的信号源频率f, 则由式(5 -7) 可知, 要计算被测电感值, 还需要测得分布电容C0 的数值, 分布电容C0的测量电路与测量电感的原理图相似, 只是不接标准电

15、容C, 调节信号源的频率, 使电路自然谐振, 设此频率为f1, 则上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量将式(5 -7) 电感L 代入, 得将式(5 -8) 代入式(5 -7) 的表达式, 即可得到被测电感的电感量, 即2.交流电桥法测量电感测量电感的交流电桥有马氏电桥和海氏电桥两种, 分别适用于测量品质因数(Q 值)不同的电感。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量3.采用通用仪器测量电感通用仪器测量电感的理论依据是复数欧姆定律XL =2fL = U / I, 电路原理如图5 -11 所示, 图中Us 为交流信号源, R1 为限流电阻, 一般取几百欧, R2 为电流取样电阻, 一般小于1

16、0 , 并且一定要接在信号源的接地端, 用交流电压表分别测出电感两端的电压U1 和电阻R2 两端的电压U2, 即可求出电感量。上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量4.电感的数字化测量方法电感的数字化测量通常是通过电感- 电压转换器实现的。图5 -12 所示为电感- 电压转换的一种方案, 图中将被测电感等效为串联电路, R 为标准电阻, 利用虚部实部分离电路,将输出U。分离出实部Ur, 虚部Ux , 则上一页下一页返回5. 1 阻容元件的测量由Ur、Ux 的值和上述公式可求出Cx 、Rx 和Q 值, 再通过显示电路直接将测量结果用数字显示出来。这是常见的LCR 测试仪测量电感的基本原理。此外

17、, 也可以采用电感周期转换器和电感频率转换器测量电感。上一页返回5.2 二极管、三极管的测量5.2.1 半导体二极管的测量普通二极管的品种很多, 但都由一个PN 结构成, PN 结的单向导电性是判别二极管好坏的基本依据。1.用万用表测量二极管1) 用模拟式万用表测量二极管用模拟式万用表欧姆挡测量二极管时, 万用表的等效电路如图5 -13 所示, 万用表面板上标有“ + ”号的端子接红表笔, 对应于万用表内部电池的负极, 而面板上标有“ - ”号的端子接黑表笔, 对应于万用表内部电池的正极。测量小功率二极管时, 将万用表置于“ 100”挡或“ 1K 挡”, 以防万用表的“ 1”挡输出电流过大,

18、或“ 10K”挡输出电流过大而损坏被测二极管, 对于面接触型大电流整流二极管可用“ 1”挡或“ 10K”挡进行测量。下一页返回5.2 二极管、三极管的测量测量时, 将二极管分别以两个方向与万用表的表笔相接, 两种接法中万用表指示的电阻必然是不相等的, 其中万用表指示的较小的电阻值为二极管的正向电阻, 一般为几百欧姆到几千欧姆, 此时, 黑表笔所接端为二极管的正极, 红表笔所接端为二极管的负极。万用表指示的较大的电为二极管的反向电阻, 对于锗管, 反向电阻应在100 k以上, 硅管的反向电阻很大, 几乎看不出表针的偏转。用这种方法可以判断二极管的好坏和极性。2) 用数字式万用表测量二极管用数字式

19、万用表的二极管挡测试, 例如, DT9909C 型数字万用表, 其测试原理与模拟式万用表测量电阻完全不同。数字式万用表测量二极管的等效电路如图5 -14 所示, 实际上测量的是二极管的直流电压降。上一页下一页返回5.2 二极管、三极管的测量当二极管的正负极分别与数字万用表的红黑表笔相接时, 二极管正向导通, 表上显示出二极管的正向导通电压UD。若二极管的正负极分别与数字万用表的黑红表笔相接时, 二极管反向偏置, 表上显示固定电压, 约为2.8 V。2.用晶体管特性图示仪测量二极管用YB4810 型晶体管特性图示仪可以显示二极管的伏安特性曲线, 例如, 测量二极管的正向伏安特性曲线, 首先将晶体

20、管特性图示仪荧光屏上的光点置于坐标左下角, 峰值电压范围置于“0 20 V”, 集电极扫描电压极性置于“ + ”, 功耗电阻置为1 k, X 轴集电极电压置为0.1 V/ 度, Y 轴集电极电流置为5 mA/ 度, Y 轴倍率置为“ 1”, 将二极管的正负极分别接在面板上的C 和E 接线柱上, 缓慢调节峰值电压旋钮, 即可得到如图5 -15 所示的二极管正向伏安特性曲线, 从图中可以看出二极管的导通电压在0.7 V 左右。上一页下一页返回5.2 二极管、三极管的测量3.发光二极管的测量发光二极管一般由磷砷化镓、磷化镓等材料制成, 它的内部存在一个PN 结, 具有单向导电性, 当它正向导通时就能

21、发光。1) 用模拟式万用表判别发光二极管模拟式万用表判断发光二极管的极性的方法与判断普通二极管的方法是一样的, 只不过一般发光二极管的正向导通电压可超过1 V, 实际使用电流可达100 mA 以上, 测量时可用量程较大的“ 1K”和“ 10K”挡, 测其正向和反向电阻。一般正向电阻小于50 k, 反向电阻大于200 k为正常。上一页下一页返回5.2 二极管、三极管的测量2) 发光二极管工作电流的测量发光二极管的工作电流是一个很重要的参数,工作电流太小, 发光二极管不亮, 太大则易使管子的使用寿命缩短, 甚至烧毁。图5 - 16 所示的电路可以用来测量发光二极管的工作电流。图中R =100 为保

22、护限流电阻, 以防测量开始时, 电位器RW 调在小阻值上引起电流过大而损坏发光二极管。测量时, 慢慢调节电位器RW, 使发光二极管工作正常, 也就是既发光又不太亮也不太暗, 此时, 毫安表指示的数值即为发光二极管的工作电流值。若在此时用直流电压表并接在发光二极管两端即可测得此发光二极管的正向压降UF 的值。上一页下一页返回5.2 二极管、三极管的测量5.2.2 半导体三极管的测量半导体三极管的种类和型号较多, 从制造材料来分可分为锗管和硅管, 从导电类型来分可分为NPN 管和PNP 管, 参数较多, 在实际应用时, 只需根据应用需要做一些基本的必要测量即可。1.用模拟万用表判别管脚1) 基极、

23、管型的判定以NPN 型三极管为例说明测试方法。上一页下一页返回5.2 二极管、三极管的测量用模拟式万用表的欧姆挡, 选择“ 1K”或“ 100”挡, 将红表笔插入万用表的“ + ”端, 黑表笔插入“ - ”端, 首先选定被测三极管的一个引脚, 假定它为基极, 将万用表的黑表笔固定接在其上, 红表笔分别接另两个引脚, 得到的两个电阻值都较小, 然后再将红表笔与该假设基极相接, 用黑表笔分别接另两个引脚, 得到的两个电阻值都较大, 则假设正确, 假设的基极确为基极, 否则假设错误, 重新另选一脚假设为基极后重复上述步骤, 直到出现上述情况。当基极判断出来后, 由测试得到的电阻值的大小还可知道该三极

24、管的导电类型。当黑表笔接基极时测得的两个电阻值较小, 红表笔接基极时测得的两个电阻值较大, 则此三极管只能是NPN 型三极管。反之, 则为PNP 型三极管。上一页下一页返回5.2 二极管、三极管的测量对于一些大功率三极管, 可选用万用表的“ 1”挡或“ 10”挡进行测试。2) 发射极和集电极的判别判别发射极和集电极的依据是发射区的杂质浓度比集电区的杂质浓度高, 因而三极管正常运用时的值比倒置运用时要大得多。仍以NPN 管为例说明测试方法。用模拟式万用表, 将黑表笔接假设的集电极, 红表笔接假设的发射极, 在集电极(黑表笔) 与基极之间接一个100 k左右的电阻, 看万用表指示的电阻值, 如图5

25、 -17 (a) 所示, 然后将红黑表笔对调, 仍在黑表笔与基极之间接一个100 k左右的电阻观察万用表指示的电阻值, 如图5 -17 (b) 所示, 其中万用表指示电阻值小表示流过三极管的电流大, 即三极管处于正常运用的放大状态, 则此时黑表笔所接的端子为集电极, 红表笔所接的端子为发射极。上一页下一页返回5.2 二极管、三极管的测量一般数字式万用表都有测量三极管的电路(例如DT9909C 型数字万用表), 在已知NPN 和PNP 型后, 依据三极管正常运用处于放大状态时值较大, 可以判别发射极和集电极。2.用晶体管特性图示仪测量三极管用万用表只能估测三极管的好坏, 而用晶体管特性图示仪可以

26、测得三极管的多种特性曲线和相应的参数, 所以在实际中广泛使用图示仪, 以直观地判断三极管的性能。上一页返回5.3 晶体管特性图示仪晶体管特性图示仪(以下简称图示仪) 是一种利用电子扫描原理, 在示波管的荧光屏上直接显示晶体管的特性曲线的仪器。它可以直接显示共发射极、共基极和共集电极的输入特性、输出特性和正向转移特性等。因此, 利用图示仪可以直接观测晶体管的各种参数和特性曲线, 还可以迅速比较两个同类晶体管的特性, 以便于挑选配对。5.3.1 晶体管特性图示仪的基本组成晶体管特性图示仪的基本组成框图如图5 -18 所示, 它由同步脉冲发生器、基极阶梯波发生器、集电极扫描电压发生器、测试转换开关等

27、部分组成。下一页返回5.3 晶体管特性图示仪同步脉冲发生器: 其作用是产生同步脉冲信号, 使基极阶梯波信号和集电极扫描电压保持同步, 以显示正确而稳定的特性曲线。基极阶梯波发生器: 提供大小呈阶梯变化的基极电流。集电极扫描电压发生器: 提供集电极扫描电压。一般直接将50 Hz、220 V 的交流市电经全波整流后得到的半正弦波电压作为被测晶体管的集电极扫描电压。测试转换开关: 用以转换测试不同接法和不同类型的晶体管特性曲线参数。垂直放大器、水平放大器和示波管组成示波器, 用以显示被测晶体管的特性曲线, 其工作原理与普通示波器相同。上一页下一页返回5.3 晶体管特性图示仪5.3.2 晶体管特性图示仪的工作原理图5 -19 所示为图示仪显示一条曲线的基本原理图, 图中50 Hz、220 V 的交流电压经变压器降压和全波整流后, 加到被测三极管的集电极和发射极之间, 此电压UCE称为集电极扫描电压, 同时将其加到示波器的水平X 轴上作为水平扫描电压, 另外, 通过取样电阻RS把与集电极电流IC 成正比的电压UY = ICRS 加到示波器的垂直Y 轴上。在垂直和水平两个电压的作用下, 荧光屏上可显示出一条IC = f (UCE) 的曲线。图5 -19 所示的电路, 每改变一次IB, 可显示一条曲线。如果想得到一组