二極管的典型應(yīng)用

二極管的典型應(yīng)用

讓我們利用Multisim 14.0 軟件來模擬二極管的典型應(yīng)用，并將實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相比較來驗證已知結(jié)論。一般來說，模型精度越高，模型本身越復(fù)雜，要求的模型參數(shù)也越多，分析電路時的計算量就越大。因此，要根據(jù)使用條件和精度選擇合適的二極管模型進(jìn)行分析。

(1)常用整流二極管的三個基本參數(shù)測試

利用 Multisim 的伏安特性測試儀 IV analyzer 測試常用 整流二極管的三個基本參數(shù)： IF（最大正向平均電流）、IS （反向飽和電流）、URM（反向擊穿電壓）。

實驗材料：

①1N4001等各種型號二極管

②伏安特性測試儀

我們以 二極管IN4001 為例，仿真測試電路如圖 1 所示。

圖-1.1

通過IV analyzer觀察我們得到二極管伏安圖像如圖2：?

圖-1.2

當(dāng)我們移動光標(biāo)到截止區(qū)中間使得到：UR1 = -24.906V IR1 = -32.057nA

移動光標(biāo)到正向擊穿區(qū)的拐點位置時：UR2 = 710.456mV IR2 = 28.917mA

移動光標(biāo)到截止區(qū)的拐點位置時：UR3 =-50.385V IR2＝-32.425nA

以下幾組數(shù)據(jù)全都選自截止區(qū)：

UR4 = -21.707V IR4 = -32.047nA

UR5 = -31.492V IR5 = -32.077nA

UR6 = -45.699V IR6 = -32.119nA

UR7 = -52.755V IR7 = -40.091nA

UR8 = -52.849V IR8 = -329.818nA

UR9 = -53.132V IR9 = -16.03mA

我們可以看到，截止區(qū)IN4001的反向飽和電流Is ≈ 32nA，反向擊穿電壓URM ≈ 50.3V，而且在反向擊穿的時候，電流對電壓變化極其敏感：電壓變化不大，但電流值快速上升。所以我們要嚴(yán)格按照試驗標(biāo)準(zhǔn)實驗，避免二極管過熱損壞。

下面為了更好的測量正向特性參數(shù)，我們將simulate param的范圍調(diào)小，得到的二極管伏安特性曲線如圖-1.3。

圖-1.3

我們測得以下幾組數(shù)據(jù)：

UD1 ＝ 501.057mV ID1 ＝ 515.485μA

UD2＝659.946mV ?ID2＝11.007mA

UD3＝731.71mV ??ID3＝30.743mA

UD4＝767.473mV ?ID4＝83.131mA

UD5＝861.559mV ?ID5＝395.115mA

UD6 = 962.366mV ?ID6 = 1.305A

UD7 = 1.03V ??????ID7 = 2.227A

UD8 = 1.117V ?????ID8 = 3.664A

從 UD1 和 ID1 可以看出，我們一般將死區(qū)電壓設(shè)為0.5V是合理的，此時二極管的正向電流處于微安級，二極管雖然正偏仍然處于截止?fàn)顟B(tài)；從 UD2 和 ID2 可以看出，在一般的等效處理過程中將UD(on)設(shè)為0.7V是合理的，此時二極管的正向電流達(dá)到毫安級，二極管已經(jīng)正向?qū)顟B(tài)。就圖像而言，Si二極管的正向?qū)妷涸?.6V-0.8V之間，在這個范圍內(nèi)，二極管剛剛導(dǎo)通，電流尚處于微安級別，但是一旦電壓超過0.8V，電流的變化非?？?。故我們在使用二極管時，應(yīng)串聯(lián)一個限流電阻防止二極管過熱燒壞或擊穿。

在下面的計算中，對于電壓較小的電路一般采用二極管的恒壓降模型，對于電壓較大的電路一般采用理想模型。我們規(guī)定UD(on) = 0.7V。各模型如圖-1.4所示。

圖-1.4

(2) 二極管小信號工作方式測試及其微變等效

實驗材料：

① 1N4001 二極管

②50mV 1kHz交流和15V直流電源

③雙蹤示波器

④電壓表

仿真電路如圖-2.1所示。

圖-2.1

二極管小信號工作方式仿真測試如圖-2.1所示。示波器光標(biāo)T1 ＝ 0時Channel A 的讀數(shù)為 14.307V，與直流電壓表 U1 的讀數(shù)基本一致，反映的是負(fù)載 R1上輸出直流電壓平均值 UO，說明二極管的導(dǎo)通壓降 UON ＝ 15V-14.307V = 0.693V；光標(biāo) T2 時刻讀出輸出波形的峰值 Uop 為 14.396V，近似等于直流電壓表 U1 的讀數(shù) 14.307V 加上 50mV 交流信號的峰值 70.7mV。

利用疊加定理，對電路進(jìn)行微變等效：

我們約定：小寫字母表示疊加定理中含交流信號電路里的物理量，大寫字母表示疊加定理中直流電路里的物理量。

設(shè)rd為在交流電路中二極管所等效的電阻，

rd = d(ud)/d(id) ≈ UT/ID其中，UT在常溫下為常數(shù)26mV，ID為直流電路中的電流

ID = （7-0.7）/1K A = 14.3mA

rd = 26/14.3 Ω ≈ 1.82Ω

在交流電路中，交流電流

id = Ui/（rd+R1） ≈ 0.00004991A = 0.04991mA

R1 兩端電壓ur1 = id * 1kΩ = 49.991mV

原電路總電流iD = id + ID ≈ 14.38mA

原電路電壓表示數(shù)U = 14.3V + ur1 * sqrt(2) ≈ 14.371V

我們可以看到：仿真結(jié)果與我們計算所得結(jié)果誤差

（14.396 – 14.371）/14.371 ≈ 0.174%

仿真結(jié)果與理論計算高度符合。

(3)共陽和共陰接法時二極管優(yōu)先導(dǎo)通測試

實驗材料：

① 1N4001 二極管

②50mV 1kHz交流和15V直流電源

③雙蹤示波器

④電壓表

共陽接法如圖-3.1，共陰接法如圖-3.2:

圖-3.1

圖-3.2

我們現(xiàn)在需要驗證的是:當(dāng)共陽接法時,陰極點位最低的會優(yōu)先導(dǎo)通,供陰接法時,陽極電位最高的會優(yōu)先導(dǎo)通。

對于圖-3.1所示電路:

利用KVL:

2V - UD1 + (-1.33) = 0

UD1 = 0.67V

同理UD2 = -13.33V

UD3 = -1.33V

由仿真案例(1)我們可以得到二極管反向擊穿電壓為-50V,左右,因此D2,D3不但沒有正向?qū)?也沒有反向擊穿,由此我們可以驗證結(jié)論: 當(dāng)共陽接法時,陰極點位最低的會優(yōu)先導(dǎo)通。

對于圖-3.1所示電路:

處理數(shù)據(jù)得到:

UD1 = -7.342V

UD2 = 0.658V

UD3 = -5.342V

顯然: D2優(yōu)先被擊穿。我們可以得到結(jié)論:供陰接法時,陽極電位最高的會優(yōu)先導(dǎo)通。

測試結(jié)果充分證明了共陽或共陰接法時二極管優(yōu)先導(dǎo)通結(jié)論的正確性。

(4)穩(wěn)壓管基本穩(wěn)壓電路測試

實驗器材：

① 1N4733 穩(wěn)壓管

②0.2mV 50Hz交流和8V直流電源

③雙蹤示波器

④電壓表

⑤電阻和滑變電阻器各一個

實驗電路圖如圖-4.1。

圖-4.1

我們將直流電源和交流電源串聯(lián)起來從而模擬不穩(wěn)定的電壓。限流電阻確定后，負(fù)載電阻也許保證在一定范圍內(nèi)從而使穩(wěn)壓管工作時電流維持在IZmin-IZmax，只有這樣才能維持R3兩端電壓的穩(wěn)定，此時channel B所顯示的圖像應(yīng)該近似為一條直線。模擬數(shù)據(jù)如圖-4.2。

圖-4.2

Channel A T2 = 0時電壓為8.000V，這表示的電路電源的平均值。我們測得電路電源峰值為8.280V，計算理論值為 8.000V + sqrt(2)*0.2V = 8.283V，相對誤差為(8.283V – 8.280V)/8.283V ≈ 0.03%，仿真的結(jié)果是可靠的。

在DC模式下我們可以看到channel B 電壓在5V上下浮動，現(xiàn)在我們將模式調(diào)到AC再觀察滑變電阻器兩端電壓。注意，我們將channel B的Scale調(diào)到了10mV/Div。

數(shù)據(jù)如圖-4.3。

圖-4.3

我們可以發(fā)現(xiàn)，滑變電阻器AC模式下測得的交流浮動的絕對值不超過4mV，占5V電壓的0.08%，完全可以忽略不計，因此可以認(rèn)為滑變電阻器兩端電壓是穩(wěn)定的。

通過仿真測試可以得到這樣的結(jié)論：負(fù)載電阻在一定范圍變化時,通過R1和D1組成的基本穩(wěn)壓電路后,負(fù)載上可以獲得穩(wěn)定的直流電壓。