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1、1实验实验 12 制流和分压电路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
2、影响，了解如何根据电路调控要 求选择变阻器。实验原理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
3、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）制流特性曲线如图 1 所示，这时负载 RZ的电流，当 C 移至 A 端时，负载上20 RRUIZ的电流最大，。引进参数，x 为在变阻器上的相对位置，ZRUI0 max001,RRkRRxZk 称为电路特征系数，则有（1）)1 (max xkkII)x1 (kkIR/ )RR(R/RR/RI )RR(RRIImax0100Z0Zmax10ZZmaxRZR0ACBEKAR2R1 U0图 1 制流电路2对于不同的 k 值，x 与 I
4、/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 k1，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：。1max minkkIImaxmax1IkkI （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
5、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R0，那么控制电路阻值的变化至少也是R0，这样负载上的电00 RRx流最小改变量（I）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）xxkkII2max min)1 ()(由此可见，当 k 值较大或 x 值较小时， （I）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， （I）min较大，细调能力下降。2分压电路（1）分压特性如图 3 所示，负载 RZ两端的电压 U 为（3）02 11001 0 0211 RRRRRURRURRR
6、RRRUZZZZ 与制流电路的讨论一样，引进电路参数001,RRkRRxZ01xI/Imax1 k=10k=2k=1k=0.5k=0.1k=0.02图 2 制流特性曲线RZR1ABECK VU0R0R2图 3 分压电路3可得2max 20 xkxxkU xkxxkUU（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：1）若要使电压 U 在 0 到 U0（Umax）整个范围内均匀变化， 则取 k1 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
7、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 00.2V 范围内均匀调节，这时可取 k 0.05，即选用 R020RZ，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）k1(即 RZR0)时，UxU0，U = U0x，即 U 的最小改变量为：（U）min = U0x （5）由此可见，当电路元件选定之后，在整个变阻器的
8、调节范围内，细调程度处处 都是相同的。如图 4 中 k10 的曲线）2）k1(即 RZR0)时，所以xxkUUxkUU200 )1 (,1（6）xxkUU20 min)1 ()(可见，当 x 值较小时， （U）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， （U）min较大，细调能力下降。3）k1 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。最初设图 4 分压特性曲线01xU/Umax 1k10
9、k=1 k=0.1k=0.014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。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 RZ0.1A 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=
10、0.01A,E=6V,RZ=50,根据式可算得 R0600,故00max min1RRU kkIIZ挑选变阻器应略大于 600,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.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=1500,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 k1 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 600 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.RZEKA主控细调EKVRZ主控细调图 5 制流细调电路图 6 分压细调电路6VK6006050mAV图 7图 816VK6006015005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 5758 页。
