聶 明

(東北石油大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

《電子元器件伏安特性的測(cè)定》是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[1-5]課程中的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在元器件伏安特性曲線的測(cè)量上，這種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)之一是電路簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)裝置容易獲得，僅需直流穩(wěn)壓電源、磁電式直流電壓表和電流表及滑線變阻器等裝置；二是不論被測(cè)器件是線性元件還是非線性元件都能測(cè)量。而缺點(diǎn)之一則是由電表輸入阻抗不理想，會(huì)引起系統(tǒng)誤差；二是需要人工逐點(diǎn)測(cè)試，處理速度慢，并且只有測(cè)試完足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行描點(diǎn)或擬合作圖后才能看到U-I變化的全貌，實(shí)時(shí)性較差，不直觀。示波器設(shè)置在X-Y工作模式則可描繪任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系，相當(dāng)于一臺(tái)X-Y圖示儀，可組成一個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。因此，作為一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)或提高性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以利用示波器來(lái)直觀實(shí)時(shí)地顯示穩(wěn)壓管的伏安特性曲線全貌。這在此前的一些與此相關(guān)的資料中，往往不同程度地存在一定的問(wèn)題，這些問(wèn)題將在下面闡述。為此，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單且有效的雙支路測(cè)量電路，這種測(cè)量電路在以往的論文資料中未見(jiàn)報(bào)道。實(shí)驗(yàn)證明這種測(cè)量方法可以解決此類實(shí)驗(yàn)中存在的相關(guān)問(wèn)題，并且這種思路也可借鑒于利用示波器的Y-T模式顯示三極管輸出特性曲線、鐵磁材料磁滯回線等的實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也對(duì)訓(xùn)練學(xué)生如何靈活分析處理實(shí)際問(wèn)題大有裨益。

1 實(shí)驗(yàn)電路

在以往的相關(guān)資料[6-10]中，利用示波器的X-Y模式顯示二極管伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)電路有3種，如圖1所示。

(a)

(b)

(c)圖1 穩(wěn)壓管伏安特性曲線測(cè)量電路

在圖1(a)測(cè)量電路中，E為交流信號(hào)源，其峰值電壓要略高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓，E通過(guò)無(wú)感的電流取樣電阻R加到被測(cè)試管的兩極。對(duì)穩(wěn)壓(齊納)二極管D來(lái)說(shuō)，半個(gè)周期是正的，而另半個(gè)周期是負(fù)的，在R中將引起正向和反向電流通過(guò)。將電阻R的端電壓施加到示波器的垂直通道CH2(Y)，則熒光屏上的光點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生上、下位移。所以，垂直偏轉(zhuǎn)與電流成正比，當(dāng)R是1 Ω時(shí)，垂直刻度能直接地變換成電流。將施加在被測(cè)管上的電壓接入示波器的水平通道CH1(X)，控制電子束產(chǎn)生光點(diǎn)的左、右移動(dòng)，則電子束水平偏轉(zhuǎn)與電壓成正比。綜上，水平偏轉(zhuǎn)(電壓)和垂直偏轉(zhuǎn)(電流)的合成作用使電子束描繪出一個(gè)完整的U-I曲線。這種測(cè)量方案在原理上是正確的，但是在實(shí)際測(cè)量中行不通。原因在于，考慮到電氣安全問(wèn)題，實(shí)際使用的儀器，不論是信號(hào)發(fā)生器還是示波器等需要市電供電的設(shè)備，都是使用通用的單相三線制電源線供電。這樣儀器的殼體接地端都與保護(hù)地線相接，并且信號(hào)發(fā)生器和示波器的信號(hào)輸出及輸入端的同軸電纜卡環(huán)形接口(BNC)的信號(hào)地端都是與殼體接地端相連接的。由此可知，圖1(a)中信號(hào)發(fā)生器的輸入端B或者C端是接地的，而示波器的兩路輸入端的公共端要選擇電路中的選定的測(cè)量接地端A點(diǎn)，這就使得圖中B、A兩點(diǎn)或C、A兩點(diǎn)短接。則示波器輸入端CH1或CH2兩信號(hào)之一為零，使得伏安特性曲線無(wú)法顯示。

為了解決這種由于測(cè)量裝置接地結(jié)構(gòu)帶來(lái)的問(wèn)題，在圖1(a)的信號(hào)輸入端與待測(cè)元件之間加上一個(gè)變壓器T，如圖1(b)所示。使得輸入信號(hào)與后級(jí)電路電隔離，這樣就解決了上述問(wèn)題。測(cè)量過(guò)程中只要設(shè)置CH1輸入通道反相，則屏幕即可正確顯示穩(wěn)壓管伏安特性曲線。存在的問(wèn)題，一是需要增加隔離變壓器這一耦合器件，二是變壓器存在耦合不緊密和有損耗等不理想因素，變壓器T與信號(hào)源之間阻抗未必匹配。

另一種解決這個(gè)問(wèn)題的方法如圖1(c)所示，電路中只選一點(diǎn)作為信號(hào)源和示波器兩個(gè)輸入通道的測(cè)量接地端，這樣就解決了圖1(a)電路中存在的問(wèn)題，不會(huì)使取樣電阻R或待測(cè)穩(wěn)壓二極管D短接。但這里存在的問(wèn)題是CH2通道輸入的雖然是代表穩(wěn)壓管電流的電壓信號(hào)，可CH1通道輸入的電壓信號(hào)可不是待測(cè)穩(wěn)壓管的端電壓，而是加于電阻和穩(wěn)壓管的總電壓。所以示波器屏幕實(shí)際顯示的是取樣電阻R與待測(cè)穩(wěn)壓二極管D串聯(lián)組合體的伏安特性曲線，而并非真正的穩(wěn)壓管的伏安特性曲線。圖2是利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器顯示的穩(wěn)壓管伏安特性曲線。

(a)取樣電阻R較大

(b)取樣電阻R較小圖2 穩(wěn)壓管與電阻串聯(lián)組合體的伏安特性曲線

由圖2(a)、(b)可見(jiàn)，在二極管正向?qū)ê头聪驌舸┣凹皩?dǎo)通電流較小時(shí)，取樣電阻對(duì)曲線形狀幾乎沒(méi)有影響，兩者沒(méi)有差別。而當(dāng)正向?qū)ê头聪驌舸┖螅瑢?dǎo)通電流較大時(shí)，電阻的影響就凸顯出來(lái)了。實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)：增大取樣電阻R值，曲線傾角變小；減小取樣電阻R值，曲線傾角變大變陡，更接近真正的穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線。

為了解決以上各種測(cè)量電路存在的問(wèn)題，本文提出一種雙支路測(cè)量電路，如圖3所示。與上面列舉的各種測(cè)量電路相比，這種電路中增加了一個(gè)測(cè)量支路，并且兩個(gè)測(cè)量支路中選用的待測(cè)穩(wěn)壓二極管相同，兩支路中的電流取樣電阻R阻值也完全相同，但是兩個(gè)元件的連接順序調(diào)換了一下。信號(hào)發(fā)生器的輸出端及示波器兩信號(hào)輸入端的接地端都選電路中同一個(gè)測(cè)量接地點(diǎn)。第一測(cè)量支路中的A點(diǎn)信號(hào)接入CH1，是信號(hào)發(fā)生器輸出正弦激勵(lì)信號(hào)作用下穩(wěn)壓二極管兩端響應(yīng)的電壓信號(hào)。第二測(cè)量支路中的B點(diǎn)信號(hào)接入CH2，是正弦激勵(lì)信號(hào)作用下電流取樣電阻兩端響應(yīng)的電壓信號(hào)。這樣，由A、B兩點(diǎn)輸入示波器水平和垂直通道的信號(hào)分別是穩(wěn)壓管的端電壓信號(hào)和與流過(guò)穩(wěn)壓管電流成比例的電壓信號(hào)，所以示波器屏幕顯示的是待測(cè)穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線。實(shí)際接線圖如圖4所示。

圖3 穩(wěn)壓管伏安特性曲線的雙支路測(cè)量電路

圖4 雙支路測(cè)量電路接線圖

2 穩(wěn)壓管伏安特性曲線的顯示及動(dòng)態(tài)電阻的測(cè)量

利用雙支路測(cè)量電路測(cè)得的穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線如圖5所示，相關(guān)信號(hào)波形如圖6所示。與圖2中伏安特性曲線不同，圖5是真正的穩(wěn)壓管伏安特性曲線。在圖5和圖6中根據(jù)相關(guān)曲線可以定量測(cè)得正向?qū)妷骸⒎聪驌舸╇妷杭白畲蠓聪螂娏鞯葏?shù)。

圖5 穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線

圖6 信號(hào)波形

穩(wěn)壓二極管的參數(shù)之一動(dòng)態(tài)電阻rZ，是穩(wěn)壓管在擊穿狀態(tài)下，在穩(wěn)壓區(qū)工作時(shí)兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，rZ是工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。rZ隨工作電流增大而減小，其值愈小，電流變化時(shí)穩(wěn)定電壓UZ的變化愈小，即穩(wěn)壓特性愈好。

穩(wěn)壓管動(dòng)態(tài)電阻的測(cè)量過(guò)程如圖7所示。因動(dòng)態(tài)電阻rZ隨工作電流的不同而不同，必須選定一個(gè)特定的位于穩(wěn)壓區(qū)的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖7(a)為待測(cè)穩(wěn)壓二極管處于穩(wěn)壓區(qū)的特性曲線，圖7(b)為與此對(duì)應(yīng)的選定的一個(gè)工作點(diǎn)P。此點(diǎn)設(shè)定方法是，示波器兩輸入通道設(shè)置為直流耦合，信號(hào)發(fā)生器交流信號(hào)調(diào)至零輸出，通過(guò)輸出負(fù)直流偏移的調(diào)節(jié)，使示波器屏幕亮點(diǎn)調(diào)至要求位置，即使此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓與取樣電阻R之比等于IP。將示波器兩輸入通道設(shè)置為交流耦合，信號(hào)發(fā)生器輸出直流偏移量不變，增加正弦交流信號(hào)的輸出。注意交流輸出不可過(guò)大，不可使二極管電壓信號(hào)出現(xiàn)畸變。實(shí)驗(yàn)中若使用的是數(shù)字存儲(chǔ)示波器，則可充分利用其信號(hào)平均獲取方式及輸入通道的帶寬限制、數(shù)字濾波等功能，獲取噪聲干擾盡可能小的信號(hào)波形，如圖7(c)所示。利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的自動(dòng)測(cè)量功能，測(cè)得穩(wěn)壓二極管交流電壓峰峰值Ud和取樣電阻交流電壓峰峰值UR，由下式可計(jì)算得到與工作電流IP對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)電阻，即

將圖7(c)測(cè)得的Ud=142 mV，UR=1.52 V，r=196.7 Ω代入得rZ=18.4 Ω。

(a)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓(反向)工作區(qū)

(b)選定的靜態(tài)工作點(diǎn)

(c)微變信號(hào)圖7 穩(wěn)壓管動(dòng)態(tài)電阻的測(cè)量

3 結(jié) 語(yǔ)

利用示波器顯示電子元器件的伏安特性曲線，可作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)或示波器應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。示波器顯示二極管伏安特性曲線的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)單，圖像清晰，能實(shí)時(shí)快速顯示正、反向特性的全部信息。為解決以往此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中遇到的相關(guān)問(wèn)題，這里提出一種新的穩(wěn)壓管伏安特性測(cè)量電路-雙支路測(cè)量電路。這種測(cè)量電路是在以往電路的基礎(chǔ)上通過(guò)增一個(gè)測(cè)量支路，形成兩個(gè)信號(hào)獲取支路，這樣就巧妙地解決了由于信號(hào)源和示波器的接地結(jié)構(gòu)帶來(lái)的相關(guān)問(wèn)題。利用這種測(cè)量電路可以方便快捷地測(cè)得穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線，并且不需額外增加任何元器件。這里用雙支路測(cè)量電路顯示了穩(wěn)壓管的伏安特性曲線，解釋了相關(guān)信號(hào)波形，并測(cè)量了穩(wěn)壓管在IP狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)電阻。

當(dāng)然還存在一種較復(fù)雜的解決此類問(wèn)題的一種方案[11]，這種方法復(fù)雜且需要增加較多的元器件。在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可能存在取樣電阻選取不當(dāng)或外部干擾等問(wèn)題，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]。考慮到穩(wěn)壓二極管存在結(jié)電容，測(cè)試信號(hào)頻率如何選擇，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12]。