二極管的典型應用

讓我們利用Multisim 14.0 軟件來模擬二極管的典型應用，并將實驗數據與理論數據相比較來驗證已知結論。一般來說，模型精度越高，模型本身越復雜，要求的模型參數也越多，分析電路時的計算量就越大。因此，要根據使用條件和精度選擇合適的二極管模型進行分析。

(1)常用整流二極管的三個基本參數測試

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： 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

當我們移動光標到截止區中間使得到：UR1 = -24.906V IR1 = -32.057nA

移動光標到正向擊穿區的拐點位置時：UR2 = 710.456mV IR2 = 28.917mA

移動光標到截止區的拐點位置時：UR3 =-50.385V IR2＝-32.425nA

以下幾組數據全都選自截止區：

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。所以我們要嚴格按照試驗標準實驗，避免二極管過熱損壞。

下面為了更好的測量正向特性參數，我們將simulate param的范圍調小，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據：

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，我們一般將死區電壓設為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狀態；從 UD2 和 ID2 可以看出，在一般的等效處理過程中將UD(on)設為0.7V是合理的，此時二極管的正向電流達到毫安級，二極管已經正向導通狀態。就圖像而言，Si二極管的正向導通電壓在0.6V-0.8V之間，在這個范圍內，二極管剛剛導通，電流尚處于微安級別，但是一旦電壓超過0.8V，電流的變化非常快。故我們在使用二極管時，應串聯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T1 ＝ 0時Channel A 的讀數為 14.307V，與直流電壓表 U1 的讀數基本一致，反映的是負載 R1上輸出直流電壓平均值 UO，說明二極管的導通壓降 UON ＝ 15V-14.307V = 0.693V；光標 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 14.307V 加上 50mV 交流信號的峰值 70.7mV。

利用疊加定理，對電路進行微變等效：

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U = 14.3V + ur1 * sqrt(2) ≈ 14.371V

我們可以看到：仿真結果與我們計算所得結果誤差

（14.396 – 14.371）/14.371 ≈ 0.174%

仿真結果與理論計算高度符合。

(3)共陽和共陰接法時二極管優先導通測試

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

我們現在需要驗證的是:當共陽接法時,陰極點位最低的會優先導通,供陰接法時,陽極電位最高的會優先導通。

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不但沒有正向導通,也沒有反向擊穿,由此我們可以驗證結論: 當共陽接法時,陰極點位最低的會優先導通。

對于圖-3.1所示電路:

處理數據得到:

UD1 = -7.342V

UD2 = 0.658V

UD3 = -5.342V

顯然: D2優先被擊穿。我們可以得到結論:供陰接法時,陽極電位最高的會優先導通。

測試結果充分證明了共陽或共陰接法時二極管優先導通結論的正確性。

(4)穩壓管基本穩壓電路測試

實驗器材：

① 1N4733 穩壓管

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起來從而模擬不穩定的電壓。限流電阻確定后，負載電阻也許保證在一定范圍內從而使穩壓管工作時電流維持在IZmin-IZmax，只有這樣才能維持R3兩端電壓的穩定，此時channel B所顯示的圖像應該近似為一條直線。模擬數據如圖-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，現在我們將模式調到AC再觀察滑變電阻器兩端電壓。注意，我們將channel B的Scale調到了10mV/Div。

數據如圖-4.3。

圖-4.3

我們可以發現，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，因此可以認為滑變電阻器兩端電壓是穩定的。

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