研究滑动变阻器的限流电路和分压电路.docx
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研究滑动变阻器的限流电路和分压电路
研究滑动变阻器的限流电路和分压电路
滑动变阻器在电路中可以作限流器用，也可以作分压器用，应当如何选用这两种不同的形式呢？
这首先是由电路中的需要来决定的，例如，有时需要负载电压有较大幅度的变化，有时需要能够做到细微的调节。
哪一种电路能满足这些要求，这就需要我们研究两种电路的输出特性。
实验前取滑动变阻器（20Ω／0．5A）、直流电流表、直流电压表、直流电源（6伏）、电阻箱（0－9999Ω）、开关、直尺各1个备用。
实验的方法与要求如下：
1．按图
（一）3．53－1连接好串联电路，分别取负载电阻R为2欧，200欧，2000欧，实验时将滑线变阻器的阻值从最大逐次调小，记录各次中滑动变阻器滑臂触头离开起点的距离L及通过负载的电流强度I，作出I－L图象。
2．按图
（一）3．53－2所示的分压电路接线。
分别取负载电阻R为2欧，200欧，2000欧进行实验，使分压器输出电压从零开始，逐步移动滑臂，记录滑臂移动距离L和输出电压U，作出U－L图象。
根据你作出的图象，描述负载电阻对输出特性的影响。
并应用串、并联电路的原理分析实验的结果。
实验后思考下列问题：
1．比较使用分压器和限流器时输出电压的调节范围。
2．当负载电阻R比较大时，采用什么样的电路，输出电压随滑臂移动距离的线性较好，且变化率较大？
3．在负载电阻较小时，为了在输出低电压段获得较精细的调节，可使用何种电路？
4．当负载电阻R较大时，为了获得较大范围的输出电压，而又能做到比较精细调节，可采用何种电路？
【提示与答案】
这里用表格将限流器和分压器的电路特点作一比较。
表格中R为负载电阻，r0为滑动变阻器的最大电阻，r为滑动变阻器连入电路的限流电阻或分压电阻。
不同负载时，限流器连接电路的I－l图象和分压器电路U－l图象如图
（二）3．53－1所示。
从以上分析和实验图象可以看出：
（1）使用分压器有较大的输出电压调节范围0－E，采用限流器的输出电压调节范围是：
R／（r0＋R）·（E－E），r0越小调节范围越小。
（2）当负载电阻较大时，采用分压器的输出线性较好。
（3）在既要求较大的电压调节范围，又要示易于实现精细的微调的情况下，可以同时采用两种电路，如图
（二）3．53－2协同调节R1和R2，可以取得较好的效果。
2003-06-21 选自：
《高中物理课外实验》
变阻器的分压与限流电路工作实验分析
变阻器的分压与限流电路
利用变阻器通过分压限流电路可以达到控制电路中电压和电流的变化.通常分压与限流电路中的变阻器为滑线式变阻器,它可以连续调节电路中的电压和电流.因此,有必要对滑线式变阻器在分压限流电路中的不同接法与特点进行全面的研究.
【预习要求】
1.复习电阻定律及滑线变阻器的变阻原理.
2.复习2.2.2电学实验基本仪器.
【实验目的】
1.研究滑线式变阻器的有关参数.
2.比较滑线变阻器在分压与限流电路中的接法.
3.学习设计简单的控制电路,正确选择滑线式变阻器电阻值、额定电流.
【实验仪器】
滑线变阻器,电阻箱,稳压电源,安培表,伏特表
【实验要求】
1.设计一个用伏安法测量阻值为50Ω左右负载的控制电路,测量电流的范围为0.01A到0.1A.
（1）选择合适的电源（规格）,安培表、伏特表（量程）,滑线式变阻器（阻值、额定电流）,设计电路连接的方法和依据.
（2）用实验来验证你的选择和设计的正确性,作出特性曲线,考察细调情况,进行分析和讨论.
2.设计一个用比较法来校准伏特表的控制电路,已知负载总电阻为5000Ω左右（待校表与校准表内阻并联总电阻）,待校表量程为3V,具体要求与第1个设计内容的要求相同.
【实验提示】
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安培表,先要选好一个标准安培表,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R来代替,称为负载.根据负载所要求的电压值U和电流值I就可选定电源,一般电学实验对电源并不苛求.只要选择电源的电动势E略大于U,电源的额定电流大于工作电流I即可.负载和电源都确定后,就可以确定控制电路,使负载能获得所需要的不同要求的电压和电流值.一般来说,控制电路中电压或电流的变化,都可用滑线式可变电阻来实现.控制电路有限流和分压两种最基本接法,其中要考虑的是电路的调节范围、特性曲线、细调程度等.
1.限流电路
（1）调节范围
限流电路如图30-1所示,滑线变阻器作为一个可变电阻R2（即一个固定接头A和滑动触头C两端之间的电阻）串联到电路中.不计电源、安培表和伏特表的内阻,在负载R上的电压和电流分别为:
（30-1）
当滑动触头C移到A端时,接入电路中的电阻最小,R2=0,故负载上电压电流最大:
（30-2）
当滑动触头C移到B端时,接入电路中的电阻最大,R2=R0,故负载上电压电流最小:
（30-3）
从上面可知,负载上电压电流变化范围在Umin～Umax和Imin～Imax之间,理论上滑线变阻器总电
阻R0越大,变化范围越宽,但同时会使得限流特性曲线的线性程度变差.
引入参数:
和
则:
（30-4）
对于不同的k值,x与的关系如图30-2所示（即限流特性曲线）.由图可知:
1）负载R上的电压电流不可能为零.
2）k越大,电流调节范围越小,但线性程度越好.
3）对于k=1附近,调节线性较好,电流调节范围适中.
4）k较小时,电流调节范围很大,但线性程度很差,这种情况下细调程度不够.
（3）细调程度
负载上的电流变化是靠滑线变阻器上活动触头位置的移动来实现.但是,实际上即使很细心地移动活动接头,位移至少是电阻绕线的一圈.若绕线一圈的电阻值为,那么控制电路阻值的变化至少也是,负载上的最小改变量和也必然同时受到限制.因为,微分可得
（30-5）
所以:
（30-6）
可以看出,若E,R,都已确定,当负载上电压越小,则和越小,控制电路能够较精细地改变负载的电压电流.
2.分压电路
（1）调节范围
图30-3就是分压电路,当活动触头C从B移到A时,负载上电压U就从零变到U0,调节范围和变阻器阻值无关.
（2）分压特性曲线
负载R两端的电压U为:
（30-7）
引入参数:
和,
可得:
（30-8）
对于不同的值,与的关系如图30-4所示,可以看出:
1）若要使电压U在0～Umax内均匀变化,则取k>1比较合适,因此要求选用的变阻器电阻R0小于负载电阻R.
2）对作分压器用的变阻器的额定电流,应以总电流的最大值来考虑.
3）细调程度
因为,所以分三种情况考虑:
1）R>>R0时,,,即U的最小改变量为:
（30-9）
当,,都确定后,也确定,即在整个调节范围内的调节精细程度都是一样.
2）R>R0情况差不多.
时,结果和R【如图所示】
【设计报告要求】
1.写明实验的目的和意义
2.阐明实验原理和设计思路
3.说明实验方法和测量方法的选择
4.列出所用仪器和材料
5.确定的实验步骤
6.设计数据记录表格
7.确定实验数据的处理方法
【注意事项】
1.应用各种仪器前,仔细查阅有关说明书和使用方法.
2.各电路元件在测量时,接地点应与仪器的接地点一致.
【思考题】
1.在RC暂态过程中,固定方波的频率,而改变电阻的阻值,为什么会有不同的波形?
而改变方波的频率,会得到类似的波形吗?
2.在RLC暂态过程中,若方波的频率很高或很低,能观察到阻尼振荡的波形吗?
如何由阻尼振荡的波形来测量RLC电路的时间常数?
3.在RC、RL电路中,当C或L的损耗电阻不能忽略不计时,能否用本实验测量电路中时间常数?
分压法与限流法的选择
实验器材的选择仪器选择首先应考虑安全因素，其次是误差因素.安全因素考虑各电表的读数不能超过量程，电阻类元件的电流不能超过其最大允许电流.误差因素一般应要求各电表的实际读数不小于量程的1/3.对于变阻器除了考虑安全因素外，在分压接法中，一般选择电阻较小而额定电流较大的；在限流接法中，变阻器的阻值应与电路中其他电阻的阻值比较接近.
对器材选择的一般步骤是：
（1）选出唯一性器材.
（2）草画电路图（暂不接入电流表、电压表）.
（3）估算电流和电压的最大值，在考虑电表指针有较大偏转但不超量程的情况下，结合已知实验器材规格，确定实验电路和其他实验器材.
电流表内、外表法的选择用电压表、电流表同时测电阻的电流时，由于电流表、电压表内阻的影响，不管来用电流表内接还是外接都将引起误差.如何选择实验方法，才能最大限度地减小误差呢？
说明：
Rx为被测电阻；RA为电流表；RV为电压表内电阻.
1.当Rx较小时一般采用外接法，Rx较大时则应采用内接法.
2.若被测电阻既不是很大又不是很小时，可以先算出临界电阻R0，当R0=Rx或Rx＞R0可采用内接法；若Rx＜R0可采用外接法.
3.如遇RA、RV均不知的情况时，可用试触法判定：
改变电流表内外接方式，若电流表数值变化较大，则采用内接法；若电压表数值变化较大，则采用外接法.
滑动变阻器分压与限流接法的选择滑动变阻器常被用来改变电路的电压和电流，根据连接方法的不同，可分为分压接法和限流接法.分压法是把整个变阻器的所有阻值接入电路，再从滑片和变阻器的一个端点上引出部分电压向外供电.限流法是变阻器的部分阻值串入电路，通过改变有效阻值来改变整个电路的电流.通常变阻器应选用限流接法，但在下列三种情况下，必须选择分压连接方式.
（1）若采用限流电路，电路中的最小电流仍超过用电器的额定电流时，必须选用分压电路.
（2）当用电器电阻远大于滑动变阻器全值电阻，且实验要求的电压变化范围较大或要求测量多组实验数据时，必须选用分压电路.
（3）要求回路中某部分电路的电压从零开始可连续变化时须选用分压电路.
滑动变阻器在电路中的限流接法与分压接法
限流接法
分压接法
图示：
分压域：
特点：
电压调节范围小，电路简单，功耗小
电压调节范围大，电路复杂，功耗较大
适用：
便于调节电压的选择条件
便于调节电压的选择条件
方法选择：
通常变阻器以限流式接法为主，但在下列三种情况下，必须选择分压式连接方法。
⑴若采用限流式不能控制电流满足实验要求，即滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流
（或电压）仍超过电流表（或电压表）的量程，或超过待测电阻的额定电流，则必须选用分压式。
⑵限流式适合测量阻值小的电阻（跟滑动变阻器的总电阻相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小）。
分压式适合测量阻值较大的电阻（一般比滑动变阻器的总电阻大）。
若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑动触头从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时，应必用分压电路。
⑶若实验中要求电压从零开始连续可调节器，则必须采用分压式电路。
E
图１图２
●在进行电路选择各电路设计时，应注意以下原则：
⑴安全原则，即电器元件在电路中不被损坏，如电压表或电流表在电路中时，各对应物理量不超过它们的量程。
⑵目的性原则，即所设计的电路应能够达到实验的目的。
⑶准确性原则：
即选取仪器或器材时应考虑减小系统误差，如电压表或电流表的指针偏转应尽可能指在中间刻度附近。
⑷方便操作原则，所设计的实验容易达到实验目的，且又简捷、方便。
⑸经济实惠原则，所设计的电路中所用的仪器应在大多数实验室能找到，本原则也可称为可实施原则。
滑动变阻器的两种接法比较和选择
湖南省永州市江华县第一中学李升光425500
知识要点
一、滑动变阻器的两种连接方式
如图所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为R0）对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用，通常把图（a）电路称为限流接法，图（b）电路称为分压接法．
二、两种电路的比较
负载RL上电压调节范围（忽略电源内阻）
负载RL上电流调节范围（忽略电源内阻）
相同条件下电路消耗的总功率
限流接法
E≤UL≤E
≤IL≤
EIL
分压接法
0≤UL≤E
0≤IL≤
E（IL＋Iap）
比较
分压电路调节范围较大
分压电路调节范围较大
限流电路能耗较小
1.从调节范围上比较
分压电路优点：
调节范围宽，其次是它的电流，电压都包含了0值且与R0无关。
2.从方便调节的角度比较
其中，在限流电路中，通RL的电流IL=
，当R0＞RL时IL主要取决于R0的变化，当R0＜RL时，IL主要取决于RL，特别是当R0<在分压电路中，并联电路电阻比小的那个还小，当R0>>RL时，R并≈RL，所以RL两端电压随R0增大而增大，几乎不受负载影响。
当RL比R0小或小很多时，R并≈R0这时几乎不受影响，不宜采用分压电路。
归纳为：
大负载R0>RL时，分压电路小负载R0大载分压小限流
3.从两电路连线和节能角度比较
从两电路连线方面看，限流电路简单，分压电路复杂。
从两电路节能方面看，限流电路耗能小（EIL），分压电路耗能大（E（IL＋Iap））。
三、滑动变阻器的限流接法与分压接法的选择方法
滑动变阻器以何种接法接入电路，应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑，灵活择取．
（1）下列三种情况必须选用分压式接法
①要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时（如：
测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路），即大范围内测量时，必须采用分压接法．
②当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0，且实验要求的电压变化范围较大（或要求测量多组数据）时，必须采用分压接法．因为按图（b）连接时，因RL>>R0＞Rap，所以RL与Rap的并联值R并≈Rap，而整个电路的总阻约为R0，那么RL两端电压UL=IR并=
·Rap，显然UL∝Rap，且Rap越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操作．
③若采用限流接法，电路中实际电压（或电流）的最小值仍超过RL的额定值时，只能采用分压接法．
（2）下列情况可选用限流式接法
①测量时电路电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是小范围内测量，且RL与R0接近或RL略小于R0，采用限流式接法．
②电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法．
③没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素采用限流式接法．
实验18滑线电阻的限流特性和分压特性的研究
电路可以千变万化，但一个电路一般可以分为电源、控制和测量三个部分。
滑线电阻是电路中一种很好的控制元件，将滑线电阻连成限流电路和分压电路时，负载上的电流和电压能随变阻器滑动触头位置的改变而均匀地而变化。
本实验通过对滑线电阻的限流特性和分压特性的研究，了解滑线电阻与负载应怎样匹配调节的线性度较好。
[实验目的]
1．掌握滑线电阻限流与分压两种电路的联接方法、性能和特点。
2．测绘滑线电阻的限流特性曲线和分压特性曲线。
[实验原理]
1．限流电路
电路如图18-1所示，电流的最大值和最小值分别为
，
这就是电流的调节范围。
愈大，
愈小，调节范围愈大。
我们还要考虑调节时对电流控制的线性程度。
一般情况下负载
中的电流为
（1）
式中
图18-1限流电路图18-2限流特性曲线
图18-2表示不同K值的限流特性曲线，从曲线上可以清楚的看到限流电路的特点。
注意：
电源电压及
取值，
开始取最大值，
值应小于
的最大允许电流。
2．分压电路
分压电路如图18-3所示，当滑动触头C由A端滑至B端，负载上电压由0变至E，调节
的范围与变阻器的阻值无关，当滑动触头C在任一位置时，负载
上的电压为
（2）
式中
，
对于不同的K值的分压特性曲线如图18-4所示。
在分压电路中，确定E值时，特别要注意BC段的电流是否大于额定电流。
图18-3分压电路图18-4分压特性曲线
[实验内容和要求]
1．用电阻箱为负载
，取不同的K值，分别测绘滑线电阻的限流特性曲线和分压特性曲线。
2．分析滑线电阻在限流电路和分压电路中的特点。
[可供实验器材]
直流稳压电源、滑线变阻器、电阻箱、电压表、毫安表等。
[思考题]
1．限流电路和分压电路有哪些差别？
在实验中如何选择电路？
2．如图18-5所示的分压电路中，已知滑线变阻器两个固定接线端AB间的总电阻为
，接线端BC间电阻为
，现将外部负载电阻R并联到BC上，试计算：
时，BC间的电压分别为多少？
根据这个计算结果，请你归纳一下，应当怎样正确地使用分压器呢？
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