直流電路的測試實驗及其思考

一、實驗目的

1.學習直流穩壓電源、滑線變阻器的使用方法。

2.學習直流電壓表、電流表、數字電壓表、數字萬用表等測量儀表的使用方法。

3.學習測量有源二端網絡的開路電壓和等效電阻的幾種方法。

4.通過實驗加深對疊加原理和戴維南定理的理解。

二、實驗原理

1.滑線變阻器的使用 滑線變阻器是一種常用的電工設備，如圖2-1所示。它可作為可變電阻，用以調節電路中的電流，使負載得到大小合適的電流；它也可作為電位器使用，改變電路的端電壓，使負載得到所需要的電壓，如圖2-2所示。在實驗室它也常被作為一個可變的負載電阻使用。它的額定值有最大電阻R 和額定電流I 。在各種使用場合，不論滑動觸頭處于任何位置，流過它的電流均不允許超過額定電流IN，否則將會燒壞滑線變阻器。

2.疊加原理疊加原理是分析線性電路時非常有用的網絡定理，它反映了線性電路的一個重要規律。實驗時要深入理解其意義、適用范圍，要能靈活應用疊加原理分析復雜電路，而對于定理的證明則不必過分注意。我們可通過實驗方法來驗證該定理并加深對它的理解。

疊加原理的內容是：在含有多個獨立電源的線性電路中，任意支路的電流或電壓等于各個獨立電源分別單獨激勵時在該支路所產生的電流或電壓的代數和。例如圖2-3所示的線性電路中，流過ab支路的電流I 即是當開關S 合向左側，開關S 斷開，電源U 單獨激勵時，在ab支路產生的電流I 和當開關S 合向右側；開關S 合向右側，電源I 單獨激勵時，在ab支路產生的電流I 的代數和。

圖2-3中電流I 和圖2-4中電流I′ 、I″ 的參考方向一致，在疊加時I′ 和I″ 都取正號，即I =I′ +I″ 。如果I 的參考方向與圖2-4中所選擇的相反，則I =I′ -I″ 。還應注意疊加時I′ 和I″ 前的正、負號是根據它們與I 的參考方向是否一致確定的，與I′ 和I″ 具體數值正負是兩回事，不能相混。

電路中某一獨立電源單獨激勵時，其余不激勵的理想電壓源用短路線來代替，不激勵的理想電流源將其開路。例如圖2-3所示電路中理想電壓源U 不激勵時，開關S 應合向右側的短路線處，理想電流源I 不激勵時，通過開關S 將其開路。電路中含有多個電源時，與上述處理方法相同。

含有受控電源的電路應用疊加原理時，在各獨立電源單獨激勵的過程中，一定要保留所有的受控電源。這是因為受控電源與反映非電能轉換為電能的獨立電源不同，它是反映同一電路中兩條支路電量關系的電路模型。

3.戴維南定理戴維南定理和疊加原理一樣也是分析線性電路經常用的一個網絡定理，特別是當只要求分析計算電路中某條支路或某一部分電路時，利用戴維南定理可簡化分析計算的復雜性，戴維南定理尤其是分析電力電路的有力工具。

戴維南定理的內容是：任何一個線性有源二端網絡（或稱單口網絡），對外電路來說，可以用一個等值電壓源來代替。該等值電壓源的源電壓E 等于有源二端網絡的開路電壓U ，其內阻R 等于網絡中所獨立電源不激勵時的入端電阻。例如圖2-3所示電路，如果將ab支路抽出，剩余部分便是一個有源二端網絡。該有源二端網絡對電阻R 來說，可以用一個等值電壓源來代替，如圖2-5所示。

如果已知有源二端網絡的結構和參數，可以通過理論計算確定該有源二端網絡的等值電壓源的源電壓E 和內阻R 。計算有源二端網絡的開路電壓時，當然仍可利用疊加原理、節點電壓法等電路的分析計算方法。求電阻R 時，電路中所有獨立電源不激勵其處理方法仍然是理想電壓源用短路線代替，理想電流源用開路代替。

確定一個有源二端網絡的戴維南等效電路的關鍵是要求出其開路電壓U 和入端電阻R ，下面介紹用實驗方法測量U 和R 的一些方法。

（1）開路電壓的測量

方法一直接測量法。當有源二端網絡的等效電阻R 遠小于電壓表的內阻R 時，可直接用電壓表測量有源二端網絡開路電壓U 。一般電壓表的內阻并不很大，最好選用數字電壓表，數字電壓表的突出特點就是靈敏度高，輸入電阻大，有的高達數百兆歐，對被測電路影響很小，從工程角度來說，用其所測得的電壓即是有源二端網絡的開路電壓。

方法二補償法測開路電壓。測量電路如圖2-6所示。其中E為高精度標準電源，R 、R 為標準分壓電阻箱，P為高靈敏度檢流計。

調節電阻箱分壓比U 隨之改變，當U =U 時，流過檢流計的電流為零，則U =U =U = E=KE。式中K= 為電阻箱的分壓比，可直接讀出。

由于此種測量方法在電路平衡時I =0，不能消耗能量，所以補償測量精度要比直接測量法精度高。

（2）等效電阻的的測量

方法一用數字萬用表的電阻檔直接測量。測量時首先讓有源二端網絡中的所有獨立電源不激勵，即理想電壓源用短路線代替，理想電流源用開路代替。例如測量圖2-3所示電路抽取后R 所剩有源二端網絡的等效電阻時，開關S 應合向右側，使U 用短路線代替，開關S 斷開，使I 開路，變為一個無源二端網絡，用萬用表電阻檔直接測量a、b間的電阻值即可。

方法二 加壓求流法。讓有源二端網絡中所有獨立電源不激勵，在a、b端施加一已知直流電壓U，測量流入二端網絡的電流I，如圖2-9所示，那么等效電阻為R = 。

實際電壓源和電流源都是具有一定內阻的，內阻并不能與電源本身分開，因此讓獨立電源不激勵的同時，電源的內阻也被丟掉了，這樣將影響測量的精度。因此以上兩種方法僅適用于電壓源很小和電流源內阻很大的場合。

三、任務

1.疊加原理實驗

（1）根據圖2-3的原理電路接好試驗電路。測量當U =18V和I =90mA，兩電源共同激勵時a、b支路的電流I 。利用開關S 和S 控制作用，測量U 和I 分別單獨激勵時a、b支路的電流I′ 和I″ 。

（2）將U 調節為6V，電源I 大小不變而方向反接，重復上述實驗步驟及測試內容，測量時注意電流表正負端的聯接。

2.戴維南定理實驗

實驗原理電路如圖2-3所示。圖中U =18V，I =90mA，開關S 合向左側，S 合向右側，使U 和I 同時激勵。

（1）測量ab支路的電流I ，然后斷開ab支路，去掉R ，將剩余的部分電路作為待測量及變換的有源二端網絡。

（2）用數字電壓表或數字萬用表的電壓檔直接測量上述有源二端網絡的開路電壓U ，再根據圖2-7所示的補償法測開路電壓的電路，聯接好測量電路，重新測量該有源二端網絡開路電壓。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”