大学物理设计性实验-测定稳压二极管的伏安特性曲线

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大学物理设计性实验

测定稳压二极管的伏安特性曲线

设计报告

姓名：XX 学号：2009XXXX 专业：XXXXX 班级：XXXX 学院：XXXXXX 指导老师：XXX 2010年12月9日

一、题目选择

电路中二极管的应用比比皆是，有整流二极管、开关元件、限幅元件、继流二极管、变容二极管、稳压二极管等多种类型。为了进一步了解二极管的工作原理，首先要了解它们的伏安特性曲线。

本实验通过对二极管伏安特性曲线的测定，了解二极管的单向导电性的实质。

二、实验原理

1、原理及基础知识

二极管是常见的非线性元件，其伏安特性曲线如图所示：

当对二极管加上正向偏置电压，则有正向电流流过二极管，且随正向偏置电压的增大而增大。开始电流随电压变化较慢，而当正向偏压增到接近二极管的导通电压，电流明显变化。在导通后，电压变化少许，电流就会急剧变化。

当加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，但不是完全没有电流，而是有很小的反向电流。该反向电流随反向偏置电压增加得很慢，但当反向偏置电压增至该二极管的击穿电压时，电流剧增，二极管PN结被反向击穿。

2、通过对二极管不同电压下电流的测定，得出一系列电压和电流的数值，在坐标纸上作出U-I曲线,从而得出二极管的伏安特性曲线，进一步形象的认识二极管的单向导电性。由此分析可知，能够达到精度、范围、功能的要求。 3、可行性分析

运用所学过的电学实验的基础知识（电桥法测电阻、伏安法测电阻等），采用实验室已有的电学实验元器件（直流电源、电压表、电流表、滑线变阻器等），设计出一个测定二极管伏安特性曲线的电路。通过对实验电路的控制，得出一系列电压和电流值，从而绘制二极管的伏安特性曲线。

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三、方案设计

测定非线性电阻可采用伏安法、电桥法、电势差计法、非平衡电桥法等，现对伏安法、非平衡电桥法进行介绍，进行比较之后选用一种合适的方法来测定二级管的伏安特性曲线。 1、 伏安法

伏安法测二极管的伏安特性曲线，测量电路图如图所示：

图（a）是测定二极管正向导通状态的伏安特性曲线的电路。测量二极管两端的电压和通过的电流，电流表和电压表有两种接法，如图，电压表接A、D两端叫做电流表外接；电压表接A、D′端叫做电流表内接。电流表外接时，其读数为流过二极管的电流ID与流过电压表电流IV之和，即测得的电流偏大；电流表内接时，电压表读数为二极管电压VD与电流表电压VA之和，即测得的电压偏大。因此，这两种接法都有测量误差。这种由于电表接入电路而引起的测量误差叫做接入误差。接入误差是系统误差，只要知道电压表的内阻RV或电流表的内阻RA，就可以把接法造成的测量误差算出来，然后选用测量误差较小的那种接法。电流表外接，造成的电流测量误差为：

IDIVRDIDIDRV

电流表内接，造成的电压测量误差为：

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VDVARAVDVDRD

其中RD、RV、RA、分别是二极管的内阻，电压表的内阻和电流表的内阻。测量时究竟选用哪种接法，要看RD、RV、RA的大小而定。显然，若RD/RV ＞RA/RD应选用电流表内接，反之则选用电流表外接。

图（b）是测定二极管反向截止状态伏安特性曲线的电路。电流表和电压表同样也有两种接法，其接入方法的选择同上。 2、 非平衡电桥法

非平衡电桥法测二极管的伏安特性曲线的电路图：

如图所示，当调节四个电阻使B,D两点电势相等时，电桥处于平衡态。如果其中一个或某几个电阻作为传感器件，其阻值随待测物理量改变而改变，电桥就处于非平衡状态。非平衡状态时，B,D两点电位不等，电势差U的变化反映了电阻的变化情况。这就是非平衡电桥工作的原理。

综合比较伏安法和非平衡电桥法，由于我对非平衡电桥法的基础知识掌握比较少，并且非平衡电桥不易于控制，对技术要求比较。然而，我对伏安法基础知识比较熟悉，并且实验电路比较容易控制，最有可能达到实验目的。因此，本实验采取伏安法测量二极管的伏安特性曲线。 四、仪器设备设计

1、本实验测定2CW56型稳压二极管。其正向导通电流为20mA，因此选用量程为0~30mA的毫安表。反向击穿电压为20v.，因此选用量程0~30V的电压表，电源电动势为20V的直流稳压电源。

因二极管的正、反向电阻都随外加电压而变化，只能给出一大致的数值，在正常使用范围内，对2CW56型稳压二极管，正向时RD可取1000，反向时取100K。正向导通状态，二极管两端电压范围大致是0~3V，因此选用量程为0~3V的电压表。反向截止状态，流过二极管的电流范围为0~2000uA，因此选用量程为0~2000uA的微安电流表。

3、 根据测量需要，选用最大阻值为1000的滑线变阻器，25根导线。

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五、参数设计 更改序序号 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 代号 名称 型号 规格 备注 7个 25根 E 电源 电压表 V V 电压表 mA 电流表 uA 电流表 稳压二极D 管 S 开关 导线 滑线变阻R 器 20v 量程（0-3v） 量程（0-30v） 量程（0-100MA） 量程（0-150UA） 2CW5（20MA,20V) 6 量程（0-1000） 六、实验步骤 1、确定电流表的接法，在电表上查与所选量程相应的内阻RV和RA值。由所选用的RD、RV、RA值用判定式确定电流表的接法。

2．按照所选用的正确接法接线，测定2CW56型稳压二极管的正、反向伏安特性曲线。测正向特性时，电源电压取3V；测反向特性时，电源电压取20V。滑动一下滑线变阻器的滑动触头，看一看电压和电流的大致变化范围，以及电表的选择是否合适。

3．电压与电流均从零开始测量，然后让滑线变阻器的滑动触头C点向输出电压增大方向缓缓移动，按照电压和电流的实际变化范围选取数据点，记下电流表和电压表读数（不超过二极管额定值）。对正向及反向的ID-VD关系都要测10个以上的点，在曲线的弯曲部分，点应密些，在平直部分，点可稀些。

注意事项：

1． 为保护直流稳压电源，接通或断开电源前均需先使其输出为零；对输出调节旋钮的调节必须轻而缓慢。

2． 更换测量内容前，必须使电源输出为零，然后再逐步增加至需要值，以免损坏元件。

3． 测定2CW56型稳压二极管的正、反向伏安特性曲线时，注意正向电流不要超过20mA，反向电压不要超过25V。

4． 开始实验时，作为分压器的滑线变阻器的滑动触头C应置于使输出电压为最小值处

七、数据记录 1、数据记录表格

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二极管正向导通 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U/v I/mA 序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 U/v I/mA 二极管反向截止 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U/v I/uA 序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 U/v I/uA 2数据处理 根据测定的数据，在坐标纸上作出2CW56型稳压二极管的伏安特性曲线，分析二极管的单向导电性。

注：实验过程中的对报告的修改 1 由于缺少量程较大的微安电流表，因此采取了多个电流表串联等效

一个大量程电流表的做法。

2 由于一个电压表具有多个量程，所以一个电压表足矣。 3 由于没有找到开关，同时此实验不用开关也能完成，因此实验器材

不需要开关。

4、 根据实际情况，对数据记录表格进行了修改。

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