题目 12 制流和分压电路.doc

实验12 制流和分压电路
一般说来，要控制电路中的电压和电流变化都使用变阻器，尤其是电位器 (或滑线式变阻器)，它可以控制电路中的电压和电流连续地变化，几乎在所有的电子仪器中都有应用。因此，对于电位器在电路中的不同接法和特点应有一个全面的了解，以充分地实现对电路的控制。另外，如何根据实验要求正确选择电位器（滑线式变阻器）的参数(阻值和额定电流)是一个重要问题。选择得当，仪器（实验）工作就稳定、精确和顺利；选择不当，仪器（实验）就不稳定、粗糙、甚至烧坏仪器。
[实验重点]
1．学习使用变阻器组成制流，分压电路，了解两种电路的特点；
2．测量不同负载电阻对分压电路分压比的影响，了解如何根据电路调控要求选择变阻器。
[实验原理]
从研究电路的角度来看，一个实验电路一般可分为电源、控制电路和测量电路三部分。测量电路是事先根据实验方法确定好的，例如：要用比较法校准某一电流表，先要选好一个标准电流表，使它和待校表串联，这就是测量电路。测量电路既已确定，总是可以把它抽象地用一个电阻RZ来代替，称为负载。根据负载所要求的电压U和电流I，就可以选定电源。一般电学实验对电源并不苛求，只要选择电源的端电压U0略大于U，额定电流大于I即可。
负载和电源都确定后，就可以安排控制电路，使负载能获得所需求的各个不同的电压和电流。一般来说，控制电路中电压和电流的变化，都可以用电位器（或滑线式变阻器）来实现。控制电路有制流和分压两种最基本的接法。两种接法的性能和特点可由：特性曲线、调节范围、细调程度来表征。
1．制流电路
（1）制流特性曲线
RZ
R0
A
C
B
E
K
A
R2
R1
U0
图 1 制流电路
如图1所示，这时负载RZ的电流，当C移至A端时，负载上的电流最大，。引进参数，x为在变阻器上的相对位置，k称为电路特征系数，则有
（1）

0
1
x
I/Imax
1
k=10
k=2
k=1
k=0.5
k=0.1
k=0.02
图 2 制流特性曲线
对于不同的k值，x与I/Imax的关系如图2 所示，这即为制流特性曲线。
由制流特性曲线可知；
1） 负载电阻RZ上通过的电流不可能为零；
2） k越大，调节范围越小，但线性程度越好；
3） 对k≥1，调节的线性比较好，调节范围适中；
4） 对k很小，电流调节范围很大，但线性程度很差，当x接近1时电流变化很大，这种情况称为细调程度不够。
(2) 调节范围
当滑线变阻器(电位器)滑动端C移至B端时,负载上的电流最小，引进参数x和k后，则有，所以制流电路的电流调节范围为：。
（3）细调程度
负载上电流的变化是靠变阻器滑动端的移动来实现的，对于滑线变阻器，即使很细心地移动滑动接头，位移也至少是电阻绕线的一圈。若绕线一圈的电阻值为DR0，那么控制电路阻值的变化至少也是DR0，，这样负载上的电流最小改变量（DI）min也必然同时受到限制。对于其它变阻器也同样存在上述限制。由式（1）微分可得
（2）
由此可见，当k值较大或x值较小时，（DI）min较小，控制电路就能够较精确地改变负载上的电流；当k值较小或x值较大时，（DI）min较大，细调能力下降。
2．分压电路
RZ
R1
A
B
E
C
K
V
U0
R0
R2
（1）分压特性
如图3所示，负载RZ两端的电压U为
（3）
与制流电路的讨论一样，引进电路参数
图 3 分压电路

0
1
x
U/Umax
1
k>10
k=1
k=0.1
k=0.01
可得
（4）

对于不同的k值(即不同的负载)，x与U/Umax的关系如图4所示，这即为分压特性曲线，由分压特性曲线可知：
图 4 分压特性曲线
1）若要使电压U在0到U0（Umax）整个范围内均匀变化，则取k>1比较合适，因此要求选用的变阻器R0小于负载电阻RZ。
2）0.01≤ k ≤0.1 的曲线的突出部分，可用在自动控制中对临界点做出灵敏的反应。
3) 用电位器或滑线变阻器组成分压电路时，变阻器的额定电流必须大于电路的最大总电流。
4） 若电源的端电压U0远大于负载所要求的电压范围U，例如：U0=2V，但U只要求在0~0.2V范围内均匀调节，这时可取k ≤0.05，即选用R0≥20RZ，但调节时要小心，以免当x接近1时，电流过大，烧坏负载。
(2) 调节范围
调节范围和变阻器阻值无关，Umin=0，Umax=U0。
（3）细调程度
可分三种情况考虑：
1）k»1(即RZ»R0)时，U≈xU0，ΔU = U0Δx，即U的最小改变量为：
（ΔU）min = U0Δx （5）
由此可见，当电路元件选定之后，在整个变阻器的调节范围内，细调程度处处都是相同的。如图4中k>10的曲线）
2）k≪1(即RZ≪R0)时，，所以
（6）
可见，当x值较小时，（ΔU）min较小，控制电路也能够较精细地改变负载的电流；当x值较大时，（ΔU）min较大，细调能力下降。
3）k≈1时，计算式较复杂，由图4可以看出，其细调程度介于上述两者之间。
3．安排控制电路的一般方法
一般在安排控制电路时，并不一定要求设计出一个最佳方案。只要根据现有的仪器设备设计出既安全又省电，且能满足实验要求的电路就可以了。最初设计时一般也不必做复杂的计算，可以边实验边改进。先根据负载的电阻所要求调节的范围，确定电源电压，然后综合比较一下选择是采用分压还是制流。确定了R0之后，估计一下细调程度是否足够，然后做一些初步试验，看看在整个范围内细调是否满足要求，如果不能满足，则可以加接变阻器，分段逐级细调，分段逐级细调如图5和图6所示。

E
K
V
RZ
主控
细调
RZ
E
K
A
主控
细调

图 5 制流细调电路
图 6 分压细调电路

设计举例
例(1) 试为测量某元件的伏安特性设计控制电路.已知元件的阻值RZ<50Ω.要求测量范围为0.01A到0.1A.
解:负载要求的电压为0.1×50=5V,故采用电压为6V,额定电流>0.1A的电源,实际用1号干电池组或实验室一般的稳压电源都可以.
考虑到负载电阻RZ较小,若采用分压,R0值更小,浪费的电能较大,不如采用制流.由Imin=0.01A,E=6V,RZ=50Ω,根据式可算得R0≈600Ω,故挑选变阻器应略大于600Ω,这样的变阻器额定电流都大于0.1A,安全不成问题.
按电路做实验,可能发觉细调程度不够,于是加接细调,最后电路见图7.

6V
K
600Ω
60Ω
50Ω
mA
V
图 7

16V
K
600Ω
60Ω
1500Ω

图 8

例 (2) 为校准伏特表安排控制电路.已知负载电阻(待校表与标准表内阻的并联值)R=1500Ω,伏特表量程为15V,等分100格.
解:负载要求最高电压为15V,电流很小,选用16V的稳压电源或大于15V的干电池组都行.
由于负载电阻和调节范围都比较大,宜采用分压电路,根据前面讨论,当k>1时, 调节电压U在0到U0（Umax）整个范围内变化均匀.所以选k=2左右,即R0≈(1/2 )RZ,选用600Ω左右的变阻器,使用这种变阻器其额定电流为零点几安培,根据计算得实际通过的电流约为0.03A,肯定安全.
由于表面有100个分格,要求调准到1格的1/10,从实验的经验可知,要使变阻器活动接头位移为全长的千分之一是很免勉强的,加一级细调则方便得多,故最后电路设计如图8所示.

[实验内容] 书57~58页。
5