二极管特性的研究——桥式整流电路的设计.doc

二极管特性的研究桥式整流电路的设计实验目的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mA10520040042V0.8A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）。 pn(a)(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ARMNAD4CB 滤波波形UAB 桥式整流波形t 原交流波形 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 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（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。测量数据填入表一、表二。注意：指针表测电流、电压时，指针应尽量接近2/3满偏。mAVAV 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。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。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，检查线路后再通电。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)0100200300400450500550600650680700716I(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)024610121416182025I(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。 2004008006000UmVImA10203.60Vt(s)U6.00V4.40V0.012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：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。 Rp R1 D E F C V GA Ig Rx RK B A 图61 补偿法测电阻电路图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。DRL4 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： UmUt （2）通过负载R的电流方向如图所示。（3）通过R的电流波形：Um/RLIt 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。BDRLEACN1N22 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： 0Ut 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）：实验目的；实验原理(包括设计线路图)；实验仪器；实验内容；回答预习思考题。2、数据处理部分（15）：一、数据表格（5分）；二、有效数字（5分）；三、坐标纸绘图（5分）。3、分析讨论部分：一、误差原因分析、讨论与改进（5分）。4