二极管特性的研究——桥式整流电路的设计

1 二极管特性的研究二极管特性的研究 桥式整流电路的设计桥式整流电路的设计 实验目的实验目的 1 运用伏安法测绘二极管的特性曲线 2 借助示波器观察绘制桥式整流电路的特性曲线 实验原理实验原理 晶体二极管是由两种具有不同导电性能的 n 型半导体和 p 型半导体结合形成的 pn 结 构成的 如图一 a 所示 pn 结具有单向导电的特性 常用符号表示如图一 b 图 一 二极管 pn 结构 图 二 二极管特性曲线 当 pn 结加上正向电压 p 区接正 n 区接负 时 外电场使 pn 结的阻挡层变薄 形 成比较大的电流 二极管的正向电阻很小 当 pn 结加上反向电压时 外电场使 pn 结的 阻挡层变厚 形成极小的反向电流 表现为反向电阻非常大 晶体二极管的正反向特性 曲线如图二所示 即二极管具有单向导电性 利用二极管的单向导电性 可将交流电变成脉冲直流电 其过程称为整流 如图三 是桥式整流滤波电路 其整流过程如下 当交流电为正半周时 M 点电压高于 N 点电压 D2 D4截止 而 D1 D3导通 电流将从交流电源依次通过 D1 R D3回到电源 当交 流电为负半周时 N 点电压高于 M 点电压 D1 D3截止 而 D2 D4导通 电流将从交 流电源依 图 三 桥式整流 滤波电路 图 四 交流 整流及滤波波形 次通过 D2 R D4回到电源 这样通过 R 的电流方向是固定的 UA始终大于 UB 且 UAB随交流电的起伏而波动 如果将 R 两端接入示波器会观察到如图四的整流波形 如在负载 R 两端并接上电容值较大的电解电容 见图三的虚线部分 可将脉冲直流 电过滤成较平稳的直流电 称为滤波 波形 将会变得较为平滑或成一条直线 滤波 的基本原理 电容 C 两端的初始电压为 0 接入交流电源 U 后 当 U 为正半周时 D1 D3导通 U 通过 D1 D3对电容充电 当 U 为负半周时 D2 D4导通 U 通过 滤波波形 UAB 桥式整流波形 t 原交流波形 A R 2 D 3 D M N 1 D A D4 C B mA 10 5 200400 4 2 V 0 8 A pn a b 2 D2 D4对电容充电 由于充电回路等效电阻很小 所以充电很快 电容 C 迅速被充到交 流电压的最大值 Umax 此时二极管的电压始终小于或等于 0 故二极管均截止 电容不可 能放电 故输出电压恒为 Umax 综上所述 交流电通过整流 滤波可以变成直流电 这就是一般稳压电源的基本原 理 实验仪器及配件实验仪器及配件 HH1713 1 型直流稳压电源 XJ17A 型二踪示波器 EE1641B1 型函数信号发生器 二极管 IN4007 有关参数 额定功率约 1 5W 正向极限电压 0 8V 正向极限电流约 2A 反向击穿电压约 400V 实验要点实验要点 1 测量二极管的特性曲线 设计测二极管正 反特性的电路如图五 图六 设计思路 考虑到测二极管伏安特性时电压 电流均要从零起调 因此采用分压电 路进行测量 另考虑到二极管正向电阻较小 需用的毫安表内阻也较小 电压表内阻较 大 因此当二极管正向导通时采用毫安表外接法二极管正向导通时采用毫安表外接法 通过电压表的电流可忽略 考虑到一 般二极管反向电阻比电压表内阻要大 如微安表外接 通过电压表的电流不能忽略 因 此 当二极管反向导通时采用微安表内接法二极管反向导通时采用微安表内接法 测量数据填入表一 表二 注意 指针表注意 指针表 测电流 电压时 指针应尽量接近测电流 电压时 指针应尽量接近 2 3 满偏 满偏 图 五 二极管正向特性 图 六 二极管反向特性 注意 测二极管正向特性曲线时还需串联一保护电阻 注意 测二极管正向特性曲线时还需串联一保护电阻 2 借助示波器观察和绘制交流 整流和滤波的波形 1 打开电源 调整函数信号发生器 示波器为定量测量状态 要确定时基线为零的位置 要确定时基线为零的位置 2 利用二极管在面包板上搭接桥式整流 滤波电路 图三 并接入示波器观察其波形 注意 电表 二极管的正 负极性不能接错 注意 电表 二极管的正 负极性不能接错 检查线路后再通电 数据处理数据处理 1 测量二极管的特性曲线 表 一 正向伏安数据 U mV 0100200300400450500550600650680700716 I mA 0 001 161 802 443 083 423 824 325 167 1414 417 621 8 表 二 反向伏安数据 U V 024610121416182025 mA V A V 3 I A 0 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 00 由表一 表二数据在坐标纸上绘制伏安特性曲线 2 借助示波器观察和绘制交流 整流和滤波的波形 将交流 整流 滤波的波形绘制在同一坐标纸上 便于比较和总结 分析讨论 分析讨论 1 误差原因分析 1 测二极管的特性曲线设计内 外接法线路有原理误差 2 测电压 电流时电表的仪器和读数误差 3 二极管的伏安特性曲线还与温度有关 4 示波器的 定量测量一般有 5 的误差 2 改进与讨论 1 测量二极管的特性曲线可采取用补偿电压 法 见教材 P137 设计线路如右图 图中将 二极管代替 Rx 2 示波器观察到的整流波形不连续 是因为 二极管有正向电阻 3 要得到更为平稳的电压 需并联更大的电 容 预习思考题预习思考题 1 设计出利用伏安法测二极管的线路 根据二极管的正向 反向的电阻大小 决定是 用内接法 还是用外接法 注意二极管正向连接时还需串联一分压保护电阻 答 设计如图五 六 2 当二极管加上正向电压时 二极管处于导通状态 当二极管加上反向电压时 二极 管处于截止状态 说明二极管具有单向导电性 3 图三桥式整流电路中 如果有一个二极管接反 会造成什么后果 答 交流电源短路 二极管会烧毁 Rp R1 D E F C V G Ig Rx RK B A 图 6 1 补偿法测电阻电路图 2004008006000 UmV ImA 10 20 3 60V t s U 6 00V 4 40V 0 01 A 4 4 右图是晶体二极管半波整流电路 1 试画出次级线圈的 电压波形 2 试在电路图上标出通过负载 R 的电流方向 3 画出电路工作时通过 R 的电流波形 将交流电分成正半 周负半周进行分析 答 1 次级线圈的电压波形 2 通过负载 R 的电流方向如图所示 3 通过 R 的电流波形 课后思考题课后思考题 1 通过桥式整流过程的分析 要使电路不短路 二极管的联接有何特点 电源应接在 哪两端 答 应注意四个相联二极管的异级端与电源相连 同极端与电阻 电容相连 2 有人设计使用二极管的电路如右图 判断示波器测 DE 两 端的电压波形及该波形频率是原交流频率的几倍 图中匝数 N1 N2 答 DE 两端电压波形为 DE 两端电压是原变压器电压的 1 2 频率是原变压器频率的 2 倍 二极管特性的研究二极管特性的研究 桥式整流电路的设计桥式整流电路的设计 实验报告评分标准 满分 30 分 1 实验文字部分 10 实验目