張明鐸

(陜西師范大學(xué)，陜西 西安　710062)

穩(wěn)壓管伏安特性測(cè)量中電表的正確接法

張明鐸

(陜西師范大學(xué)，陜西 西安710062)

摘 要：研究電流表接法對(duì)穩(wěn)壓二極管伏安特性測(cè)量結(jié)果的影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，測(cè)量穩(wěn)壓二極管的伏安特性時(shí)，在穩(wěn)壓管的正向死區(qū)和反向截止區(qū)電流表應(yīng)該內(nèi)接，在其正向?qū)▍^(qū)和反向擊穿區(qū)電流表應(yīng)該外接。這樣，只要電流表內(nèi)阻足夠小且電壓表內(nèi)阻足夠大，測(cè)量系統(tǒng)誤差就遠(yuǎn)小于1%。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓二極管；伏安特性；電流表內(nèi)接法；電流表外接法；系統(tǒng)誤差

測(cè)量電學(xué)元件伏安特性是大學(xué)物理的基本實(shí)驗(yàn)之一。為了減少測(cè)量誤差，針對(duì)待測(cè)元件電阻的不同， 測(cè)量電路中電表接法不同。主要分析穩(wěn)壓二極管(以下簡稱穩(wěn)壓管)伏安特性測(cè)量中，電表不同接法對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及其正確接法。

1測(cè)量原理

測(cè)量電學(xué)元件伏安特性的本質(zhì)是找出通過該元件的電流I隨其兩端電壓V變化的規(guī)律，具體就是找出具有代表性的若干組數(shù)據(jù)，然后作出“I-V”特性曲線。作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，電流值和電壓值通常分別用電流表和電壓表測(cè)量，常用測(cè)量電路有電流表內(nèi)接法和電流表外接法。

圖1　電流表內(nèi)接

電流表內(nèi)接法的測(cè)量電路如圖1 所示。該方法測(cè)得的電流I是通過元件的電流值，但電壓表測(cè)得的電壓V是元件兩端電壓VR和電流表兩端電壓VA之和，所以元件兩端的實(shí)際電壓為：

VR=V-VA=V-IRA

(1)

式中RA為電流表內(nèi)阻。測(cè)量的相對(duì)誤差為

(2)

電流表外接法的測(cè)量電路如圖2所示。該方法測(cè)得的電壓V是元件兩端的電壓值，但電流表測(cè)得的電流I 是流過元件的電流IR和流過電壓表的電流IV之和，所以流過元件的實(shí)際電流為

圖2　電流表外接

(3)

式中RV為電壓表內(nèi)阻。測(cè)量的相對(duì)誤差為

(4)

同時(shí)，若電表內(nèi)阻已知，這種系統(tǒng)誤差是可以修正的。用電流表內(nèi)接法測(cè)量時(shí)，可對(duì)測(cè)得的電壓值按式(1)進(jìn)行修正，僅當(dāng)RA<

2問題的提出

眾所周知，穩(wěn)壓管具有正向?qū)娮柽h(yuǎn)小于反向電阻的特征?；谶@一點(diǎn)和上述分析，在現(xiàn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材中，穩(wěn)壓管伏安特性的測(cè)量電路通常是正向特性采用電流表外接，反向特性采用電流表內(nèi)接[1-12]。

(1)采用電流表外接法測(cè)量穩(wěn)壓管的正向伏安特性時(shí)，在電壓較高致使穩(wěn)壓管導(dǎo)通的區(qū)段(以下簡稱導(dǎo)通區(qū))，其導(dǎo)通電阻很小，測(cè)量誤差很小，可以忽略；但在電壓較低而未能使穩(wěn)壓管導(dǎo)通的區(qū)段(以下簡稱死區(qū))，其電阻很大，電壓表的分流效應(yīng)不可忽視，必然會(huì)產(chǎn)生顯著的測(cè)量誤差。

(2)采用電流表內(nèi)接法測(cè)量穩(wěn)壓管的反向伏安特性時(shí)，在電壓較低而穩(wěn)壓管未被擊穿的區(qū)段(以下簡稱截止區(qū))，其電阻很大，測(cè)量誤差很小，可以忽略；而在電壓較高致使穩(wěn)壓管被擊穿而未損壞的區(qū)段(以下簡稱擊穿區(qū))，其電阻很小，電流表的分壓效應(yīng)不可忽視，必然會(huì)產(chǎn)生顯著的測(cè)量誤差。

3電表的正確接法

據(jù)上述分析可知，穩(wěn)壓管的正向死區(qū)電阻和反向截止區(qū)電阻都很大，而其正向?qū)▍^(qū)電阻和反向擊穿區(qū)電阻都很小。基于前面測(cè)量原理的分析，作者提出如圖3所示測(cè)量方法。電路圖本身與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教材無多大差異，本質(zhì)區(qū)別在于具體實(shí)驗(yàn)操作過程。

圖3　穩(wěn)壓管伏安特性測(cè)量電路

穩(wěn)壓管正向伏安特性的測(cè)量：K2接到1，在電壓較低的死區(qū)，采用電流表內(nèi)接(K1接到1)進(jìn)行測(cè)量；在電壓較高的導(dǎo)通區(qū)，采用電流表外接(K1接到2)進(jìn)行測(cè)量。

穩(wěn)壓管反向伏安特性的測(cè)量：K2接到2，在電壓較低的截止區(qū)， 采用電流表內(nèi)接(K1接到1)進(jìn)行測(cè)量；在電壓較高的擊穿區(qū)，采用電流表外接(K1接到2)進(jìn)行測(cè)量。

這里有兩個(gè)問題需要解決：一是過渡區(qū)(從死區(qū)到導(dǎo)通區(qū)以及從截止區(qū)到擊穿區(qū))的判斷，二是對(duì)過渡區(qū)測(cè)量結(jié)果的修正。

過渡區(qū)的判斷方法：無論正向還是反向伏安特性，都采用電流表內(nèi)接(K1接到1)，逐漸而緩慢地增加電壓并觀測(cè)電流。開始時(shí)，電流很小且基本不隨電壓變化，當(dāng)電壓增加到一定值時(shí)電流隨電壓較明顯的增加，隨后電流隨著電壓的增加而急劇增加。對(duì)于正向伏安特性，電流較明顯增加對(duì)應(yīng)的電壓即正向?qū)妷篤d；對(duì)于反向伏安特性，電流較明顯增加對(duì)應(yīng)的電壓即反向擊穿電壓VR。

過渡區(qū)測(cè)量結(jié)果的修正方法：在Vd(或VR)附近，穩(wěn)壓管電阻雖然遠(yuǎn)小于死區(qū)電阻(或截止區(qū)電阻)，但還是比導(dǎo)通電阻(或擊穿區(qū)電阻)大，電流表的分壓效應(yīng)不可忽視，必要時(shí)可按式(1)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)儀器：×××伏安特性實(shí)驗(yàn)儀(為避免廣告嫌疑，儀器型號(hào)略)，主要參數(shù)見表1。

表1　伏安特性實(shí)驗(yàn)儀主要參數(shù)

測(cè)量對(duì)象：儀器自身所配穩(wěn)壓管。

對(duì)穩(wěn)壓管的正、反向伏安特性都分別采用電流表內(nèi)接法和電流表外接法進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表2和表3。

由表2可知，測(cè)量穩(wěn)壓管的正向伏安特性時(shí)，若采用電流表外接法，導(dǎo)通區(qū)測(cè)量誤差很小(?1%)，但死區(qū)測(cè)量誤差很大；若采用電流表內(nèi)接法，死區(qū)測(cè)量誤差很小(?1%)，但導(dǎo)通區(qū)測(cè)量誤差較大(約3%～19%)。

由表3 可知，測(cè)量穩(wěn)壓管的反向伏安特性時(shí)，若采用電流表內(nèi)接法，截止區(qū)測(cè)量誤差很小(?1%)，但擊穿區(qū)測(cè)量誤差較大(約1%～4%)，若采用電流表外接法，擊穿區(qū)測(cè)量誤差誤差很小(?1%)，但截止區(qū)測(cè)量誤差很大(約7%～大于100%)。

表2　穩(wěn)壓管正向伏安特性

表3　穩(wěn)壓管反向伏安特性

綜合分析表2和表3可知，無論是死區(qū)還是截止區(qū)，采用電流表內(nèi)接的測(cè)量誤差都很小(<<1%)；無論導(dǎo)通區(qū)還是擊穿區(qū)，采用電流表外接的測(cè)量誤差都很小(<<1%)。這一結(jié)果與上述分析吻合。

5結(jié)論

研究表明，測(cè)量穩(wěn)壓管的伏安特性時(shí)，不能簡單地說正向特性采用電流表外接，反向特性采用電流表內(nèi)接。正確做法應(yīng)該是：在正向死區(qū)和反向截止區(qū)采用電流表內(nèi)接，在正向?qū)▍^(qū)和反向擊穿區(qū)采用電流表外接。這樣，只要電流表內(nèi)阻足夠小且電壓表內(nèi)阻足夠大，電表引起的測(cè)量系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)小于1%， 確保足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

鑒于二極管與穩(wěn)壓二極管具有相似的伏安特性，結(jié)論同樣適用于二極管伏安特性的測(cè)量。

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Correct Connecting Way of the Ammeter for Measuring Volt-Ampere Characteristics of Zener Diode

ZHANG Ming-duo

(Shaanxi Normal University,Shanxi Xi’an 710062)

Abstract：The influence of different connecting way of the Ammeter on the measurement results of volt-ampere characteristics of Zener diode is studied.Theoretical analysis and experimental study show that measuring the volt-ampere characteristics of Zener diode,the Ammeter should be connected internally in the forward dead zone and the reverse cutoff region of the diode,and it should be connected externally in the forward conduction zone and the reverse breakdown area of the diode.So,as long as the Ammeter inner resistance is small enough and the voltmeter internal resistance is enough big,measurement system error is far less than 1%.

Key words：zener diode；volt-ampere characteristics；ammeter internal connecting way；ammeter external connecting way；system error

收稿日期：2015-12-02

文章編號(hào)：1007-2934(2016)02-0067-04

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.018