林祖杰,陸秋夏,尹會聽

(浙江海洋學(xué)院,浙江舟山 316000)

利用霍爾電流傳感器對“示波法顯示穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

林祖杰,陸秋夏,尹會聽?

(浙江海洋學(xué)院,浙江舟山 316000)

針對“示波法顯示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線”存在的問題,提出了改進(jìn)方法。利用霍爾電流傳感器解決原有電路在原理上的缺陷。模擬仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示,改進(jìn)后的檢測電路具有更好的示波顯示效果和易調(diào)節(jié)性,可以更加準(zhǔn)確的顯示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線。

霍爾電流傳感器;示波法;二極管;伏安特性

在穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用中通常要對穩(wěn)壓二極管特性進(jìn)行檢測,以篩選適合的二極管[1]。穩(wěn)壓二極管伏安特性檢測最普遍的方法是傳統(tǒng)的伏安法測量二極管正、反向伏安特性[2-4],也可以用電橋法[5]、等效法[6]、元件互補(bǔ)法[7]等進(jìn)行測量。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)了“示波法顯示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[8],也可以得到該二極管的伏安特性以判斷該二極管是否勝任于指定電路。

1 檢測方法原理對比分析

傳統(tǒng)的伏安法是應(yīng)用電表采集二極管兩端的電壓以及對應(yīng)流經(jīng)的電流,再繪制二極管的伏安特性曲線。該方式簡單易行,但若要描繪出精確的特性曲線便需要采集大量的數(shù)據(jù),這給穩(wěn)壓二極管的實(shí)時檢測帶來不便,且需要耗費(fèi)大量時間來采集數(shù)據(jù)[9]?？紤]到這個因素,課程中[8]引入示波器來顯示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線。

采用示波法顯示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線原理如圖1,在電源端輸入所需正弦波形信號,負(fù)載R1為限流電阻,作用是使電路有一個合適的工作狀態(tài),并限定電路的工作電流。XE兩端測得的是穩(wěn)壓二極管D兩端的電壓,YE兩端測得的是R2兩端的電壓,電阻R2兩端的電壓與流經(jīng)穩(wěn)壓二極管的電流強(qiáng)度成正比。故將穩(wěn)壓二極管的電壓U加到示波器的“X軸輸入”端,將穩(wěn)壓二極管的電流轉(zhuǎn)化為電壓后加到示波器的“Y軸輸入”端,從而在示波器屏上得到伏安特性曲線圖象。

圖1 示波法原理圖

從圖1電路發(fā)現(xiàn),在該電路圖上提供給示波器X端穩(wěn)壓二極管的電壓信號(XE兩端電壓)實(shí)際為穩(wěn)壓二極管與R2的電壓之和。即示波器所顯示的伏安特性曲線為:

(UD+UR2)~I2R2曲線

相比于理想的

UD~I2R2曲線

轉(zhuǎn)換電阻R2為檢測結(jié)果帶來系統(tǒng)誤差,由于R2對電流轉(zhuǎn)換的必要性而無法避免該誤差。

針對上述示波法檢測電路存在的問題,已有文獻(xiàn)[10]提出采用“減法電路”對電路進(jìn)行改進(jìn)以解決問題。即在電壓信號輸出端與電流輸出端之間進(jìn)行一次差分運(yùn)算,從而消除電壓信號輸出端多出的IR2項(xiàng),以解決實(shí)際電壓信號并非二極管兩端電壓的問題。然而,該方法在運(yùn)用運(yùn)放的同時必須引入多個電阻,增加了實(shí)驗(yàn)的難度,并且運(yùn)放電路的應(yīng)用不可避免的影響兩個輸出信號的同步而引入新的誤差。

筆者綜合考慮多方面因素,引入霍爾電流傳感器對檢測電路進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的電路圖如圖2。本電路采用了開環(huán)霍爾電流傳感器,其工作原理為原邊電流I產(chǎn)生的磁通量聚焦在磁路中,并由霍爾元件檢測成霍爾電壓信號,經(jīng)過放大器放大再輸出,該電壓可精確反映原邊電流大小變化。

圖2 改進(jìn)后電路圖

如此,示波器X端輸入電壓為UD,Y端輸入電壓為U0=KI,可在示波器中精確的顯示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線。

2 基于 protuse的檢測電路模擬對比

針對以上電路的改進(jìn),在protuse電路仿真軟件中構(gòu)建了仿真電路圖,如圖3,并得到示波圖像結(jié)果如圖4和圖5。

對比圖4和圖5兩仿真示波圖,可以明顯看出,相比于通過電阻轉(zhuǎn)換法測得的結(jié)果,通過霍爾電流傳感器得到的穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線更加準(zhǔn)確。至此,電路改進(jìn)后,從仿真角度對理論結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖3 protuse仿真電路

圖4 采用電阻轉(zhuǎn)換電路仿真示波圖

圖5 采用霍爾傳感器仿真示波圖

3 穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線檢測電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

針對示波法檢測電路改進(jìn)后的實(shí)際可行性,實(shí)驗(yàn)中通過上面兩種檢測電路對同一穩(wěn)壓二極管的伏安特性進(jìn)行檢測,并得到電路改進(jìn)前后的示波器圖像。在實(shí)驗(yàn)過程中,電路圖如圖1和圖2,兩種檢測電路使用同一信號源,示波器設(shè)置偏轉(zhuǎn)因數(shù)相同,示波器顯示結(jié)果如圖6和圖7。

圖6 通過電阻轉(zhuǎn)換電路檢測的示波圖

圖7 通過霍爾傳感器電路檢測的示波圖

通過對比,采用霍爾電流傳感器的檢測電路對穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的檢測更加準(zhǔn)確。至此,針對示波法檢測電路改進(jìn)的實(shí)際可行性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果與理論統(tǒng)一。同時,使用霍爾電流傳感器對二極管的伏安特性進(jìn)行檢測相比于“電阻轉(zhuǎn)換電路”更加方便,不需要繁瑣的調(diào)節(jié)變阻器;相比于復(fù)雜的“減法電路”,霍爾電流傳感器只是單個電子元器件,省去減法電路中引入三極管及過多電阻的麻煩。采用霍爾電流傳感器的電路更具實(shí)際應(yīng)用價值。

4 結(jié) 論

示波法顯示穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線處理速度快,結(jié)果直觀,但原理缺陷也十分明顯,利用霍爾電流傳感器對原有電路進(jìn)行改進(jìn)可以解決原電路原理上的缺陷。經(jīng)過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),均取得更好的伏安特性曲線圖,且實(shí)驗(yàn)過程中具有更好的調(diào)節(jié)性,省去原來檢測電路繁瑣的電阻調(diào)節(jié)過程,具有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。

[1] W.G.Eicke,安芬.穩(wěn)壓二極管電壓的精密測量法[J].電測與儀表,1966(5).

[2] 李俊,柴曉娜,周健,等.“二極管伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)[J].阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,29(3):73-75.

[3] 秦艷芬.對測繪二極管正向特性實(shí)驗(yàn)中電表接入誤差的分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2001,14(3):63-64.

[4] 竺江峰,盧立娟,王建盛.利用二極管正向伏安特性的測量訓(xùn)練學(xué)生對系統(tǒng)誤差的修正[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2004,17(4):60-62.

[5] 高偉.電橋法測二極管的伏安特性[J].物理實(shí)驗(yàn), 1994,14(4):187-188.

[6] 桂維玲,陶肖韻.用等效法測二極管的伏安特性[J].物理實(shí)驗(yàn),2000,20(11):39-40.

[7] 王新生,張銀閣.用伏安法測繪二極管的伏安特性的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2000,13(3):41-43.

[8] 竺江峰,魯曉東,夏雪琴.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].2版.北京:中國水利水電出版社,2014:280-281.

[9] 邵建新.二極管伏安特性曲線測試電路的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2002,22(3):42-43.

[10]劉寧.用示波器測二極管伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)方法的討論與改進(jìn)[J].技術(shù)物理教學(xué),2009,17(4): 41-42.

Based on Hall Current Sensor Im proving the Oscillometric M ethod of Displaying Voltage-am pere Characteristic

LIN Zu-jie,LU Qiu-xia,YIN Hui-ting
(Zhejiang Ocean University,Zhejiang Zhoushan 316000)

According to the problem when displaying voltage-ampere characteristic of diode by oscillometric method,we put forward an improvedmethod.Using the Hall current sensor solves the principle defecton original circuit.Analog and experimental results show that the improved detection-circuits are better on the oscilloscope display and are easy to regulated,and the voltage-ampere characteristic of diode is showed more accurately.

Hall current sensor;oscillometric method;diode;voltage-ampere characteristic

O 441.1

A

DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.018

1007-2934(2015)05-0060-04

2015-05-25

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