物理实验报告终审稿).pdf
物理实验报告 文稿归稿存档编号：KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-用示波法显示稳压二极管的伏安特性曲线【摘要】本实验采用示波法来显示稳压二极管的伏安特性曲线，通过示波器观察此曲线，了解稳压二极管的一些特性。【关键字】稳压二极管 单向导电特性 示波器 伏安特性曲线 【概要】稳压二极管是一种具有单向导电性的半导体元件。稳压二极管(又叫齐纳二 极管)它的电路符号是:此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半 导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压.设计实验用示波器测二极管伏安特性，将二极管的电压 U 加到示波器的“X 轴输入”端，将二极管的电流转化为电压后加到示波器的“Y 轴输入”端，从而在示波器屏上得到伏安特性曲线图象，直观的显示二极管的伏安特性。【实验原理】稳压二极管的正向电流与电压、反向电流与电压之间的关系可用 IV 特性曲线表示，如图给出了稳压管的伏安特性曲线及其符号。从图中可以看出，给二极管两端加以正向电压，二极管表现为一个低阻值的非线性电阻，当正向电压较小时，正向电流几乎为零，只有当正向电压超过死 区电压（一般硅管约为 0.5V，锗管约为 0.1V）时，正向电流才明显增大，当正向管压降达到导通时（一般硅管约为 0.60.7V，锗管约为 0.20.3V），管子才处在正向导通状态。迅速增大的电流值有一最大限度，这个最大限度称为二极管的最大正向电流。给二极管两端加以反向电压，二极管表现为一个高阻值电阻。当反向电压较小时，反向电流很小，当反向电压超过反向击穿电压（一般在几十伏以上）后，反向电流会突然增大，二极管处于击穿状态。如右图，在 a、b 端接上交流电压（其最大输出电压的有效值一般为 68V 左右，并能随时调节）若接上直流电压，屏幕上只显示正向特征曲线。在、之间测出的是近似加在待测元件 R0 的电压，在、间的是电阻 R 的电压，这个电压正比于 R0 的电流强度。因而将二极管的电压 U 加到示波器的“X 轴输入”端，将二极管的电流转化为电压后加到示波器的“Y 轴输入”端，从而在示波器屏上得到伏安特性曲线图象。我们希望显示图形从原点往右是 X 轴正向往上是 Y 轴的正向，在 Y 轴加正向电压时，光点往上走，和习惯相同，但对 X 轴取向，不同示波器有不同情况，连接电路时，根据图形显示情况，可以改变电路的连接方式，使二极管正确的显示。为了正确的显示波形，示波器的 Y 轴输入和 X 轴输入要有公共端。在测二极管伏安特性时，有时受实验室现有仪器设备本身结构的限制，可能示波器 Y轴信号被短路，因此在实际电路设计中，取 B 点作为接地点。这种情况相当于伏安法测量中的电表内接方式，为了减小系统误差，R选用电阻箱，且值尽可能小，消除这个测量误差的影响。【调试方案设计】1.1 实验仪器：GOS6021 双踪示波器；YB1602 型数字函数信号发生器；二极管；变阻箱（09999）两个；若干导线。1.2 实验步骤：1、将线路如右上图接好。2、打开信号源和示波器，调节信号发生器至正弦交流电压档，输出信号频率 f 为 1kHz 左右，输出电压为 68V 左右，示波器打到 XY 档，适当调节示波器，即可得到特征曲线。3、观察出现的波形，调节 R1、R和示波器的偏转因素使曲线大小适中。再确定原点（把 CH1和 CH2 都接地，看亮点是否在示波器的中心点）。4、最后将特性曲线定量地测绘出来，并记录R1、R2 的阻值，以及信号发生器上的输出频率和输出电压。注 R1 为限流电阻，用以防止通过二极管的电流过大造成损失，一般将它先调到 1k 左右。【实验测量】1.1 观察伏安特性曲线：（1）连接好图二或图三的电路，电阻箱的电阻在 1K左右。调节 CH1 和 CH2 的偏转因数，能够看到显示屏上的二极管曲线，为时可以调节信号发生器的频率，使看到清晰的图形。（2）如果看到曲线显示反向，可以使二极管正负极互换。1.2 描绘曲线的图形：实验中，在示波器上显示的图像如上图所示。【分析及总结】为什么稳压二极管在负电压中起不了稳压的作用？答案：根据二极管的伏安特性，稳压管是工作在反向击穿状态的，如果电压为负值，那么二 极管就会在正向导通状态下工作，也就失去了稳压作用。而且很快会烧坏。1.2 实验过程中遇到的问题及解决方案：问题一：示波器的两输入端只能输入电压信号,如何反映通过二极管的电流。解决方案：用一较小阻值的定值电阻(如 R=100)与二极管串联,则通过二极管的电流ID 与电阻上的电流 IR 相同,而电阻两端的电压 UR=IRRID,即可输入电阻 R 上的电压来反映通过二极管的电流.。实验过程装置组装完成后进行实验，结果：只在水平方向有一亮线,增大信号电压,水平亮线延长,实验失败。失败原因猜想：可能是在 X 方向不能加足够的电压使二极管导通.问题二：实验失败原因的猜测正确吗 必须知道水平方向一格代表多大电压，即如何给X轴定标。解决方案：利用y方向的标准，当衰减旋钮置l挡时，一格表示100 mV，根据示波管的原理，偏移量与电压成正比将信号发生器的正弦信号接示波器的y输入(衰减 旋钮置l挡)，调节信号电压大小使竖直方向共4格长(上下各2格)，表示所加信号电压的最 大值为200 mv，然后把这一信号从X方向输入示波器，荧光屏上有一长为66格的水平亮线，因此，X方向的一格表示约为60 mVX方向左右各5格，最大只能加300 mV的电压，达不到 二极管的最低导通电压为07 V，所以，水平方向为一亮线 问题三：如何在 X 方向加足够的电压使二极管导通,即在 X 方向上实现一个具有 Y 方向 的衰减旋钮相同功能的装置.解决方案：分压电路,两电阻 R1R2 串联,若 R1=9R2 则 R2 上的电压只有总电压的十分之 一,若 R1=99R2 则 R2 上的电压只有总电压的百分之一。实验:另加两只电阻箱将阻值分别 调为 9K 和 1K.结果:荧光屏上显示伏安特性曲线，这仍不是二极管的伏安特性曲线,将 示波器 X 输入旁的同步开关拔到+的位置,荧光屏上的图象上下颠倒,到此,得到的实际上 是电阻与二极管串联组合体的伏安特性曲线,并非真正的二极管的伏安特性曲线。问题四:电阻与二极管串联组合体的伏安特性曲线与真正的二极管的伏安特性曲线的 关系如何 电阻的阻值对曲线的影响如何。理论分析:二极管虽不是线性元件,但对不同的电压,电流,仍有对应的阻值 RD=UD/ID 根据 串联分压，我们可求出直接加在二极管两端的电压，再描点作图。实验心得：本次实验经过和同学的合作与交流基本上完成了实验所要求的。试验过程中难免 会遇到一些困难，需要我们有创新的理念。用不同的方法去解决同一个问题。这也是做设计 性实验的要求。敢于实践，敢于动手。参考文献：竺江峰等主编。大学物理实验和本书实验十五：示波器的使用。
