5.7 非线性元件伏安特性的研究
在电路中元件的特性是由电压和电流之间的关系来表征的,称元件的伏安特性。 从伏安特性曲线所遵循的规律,可以得知该元件的导电特性,以便确定它在电路中的作用。 半导体二极管是电子电路中的基本元件。
【实验目的】
①选择一定的实验方法,设计合适的检测电路,测绘出电阻及半导体二极管的伏安特性曲线。
②学习从实验曲线获取有关信息的方法。
【预习思考题】
①线性元件和非线性元件的伏安特性曲线各有什么特点?
②什么是二极管的死区电压和反向击穿电压?
③稳压二极管工作在什么区域? 为什么能够起到稳压作用?
④如何根据测量曲线变化趋势选择合适的测量点?
【供选择的器材】
电阻、小灯泡、稳压二极管、检波二极管、整流二极管、发光二极管、直流稳压电源(0 ～20 V)、直流恒流电源(0 ～2 mA,0 ～20 mA)、数字万用表、导线、滑动变阻器等。
【供选择的研究课题】
①研究线性元件的伏安特性。
②研究非线性元件的伏安特性。
③总结、比较线性元件与非线性元件的伏安特性。
【设计要求】
①预习实验报告要求写明实验目的、实验原理,绘出设计电路图。
②实验测试。
③记录实验数据,绘制伏安特性曲线。
注意:二极管的正向和反向伏安特性曲线可以画在同一张坐标纸上,此时坐标轴可选取不同值,以使曲线大小合适。
④从实验曲线获取相关信息。
⑤提交规范的设计实验报告。
【设计原理及方法】
1.实验原理
要测量各非线性元件的伏安特性曲线,一定要了解各非线性元件的特性,才能选择正确的实验方法,合适的监测电路,得出正确的实验结论。 常用的非线性元件有:检波二极管、整流二极管、稳压二极管和发光二极管,这些二极管都具有单向导电作用,但工作方式是不一样的。二极管伏安特性曲线如图5.26 所示。
图5.26 二极管伏安特性曲线
(1)检波二极管和整流二极管
检波二极管和整流二极管都工作在第1、3 象限。 第1 象限又称为正向工作区。 当所加的电压较低时,流通的电流很小,继续增加电压时,电流急剧上升。 这个转折点对应的电压称为二极管的开启电压,它与所用的半导体材料的禁带宽度有关。 在常温下,一般为0.2 ～0.7 V。第3 象限又称为反向工作区,其特点是加一个相当高的电压时,电流会突然增大,导致损坏,这种现象称为击穿。 检波二极管和整流二极管工作范围不能超过击穿区。
检波二极管的PN 结是针形接触,其特点是工作电流小,工作频率范围宽,但反向耐压低。整流二极管的PN 结是面形接触,其特点是工作电流大,工作频率低,反向耐压可达上千伏。它们的共同特点是要求反向工作时流过的电流越小越好。
(2)稳压二极管
稳压二极管工作在第3 象限,而且工作在击穿区。 其特点是反向工作电压加到一定值时,电流突然增大,在此基础上再加大电压时,电流的变化非常剧烈,这时稳压二极管承受的功率急剧增大,若不加限流措施,PN 结极易烧毁。
(3)发光二极管
发光二极管由半导体发光材料制成,工作在第1 象限。 所发光波的波长与材料的禁带宽度E 对应。 根据量子力学原理E=eU=hν 可知,对于可见光,开启电压U 在2 ～3 V。 当加在发光二极管两端的电压小于开启电压时,发光二极管不会发光,也没有电流流过。 电压一旦超过开启电压,电流急剧上升,二极管处于导通状态并发光,此时电流与电压呈线性关系,直线与电压坐标的交点可以认为是开启电压。
2.实验内容
(1)测量电阻(或小灯泡)的伏安特性曲线
若导体的温度保持不变,则伏安特性曲线是一条直线,但导体因通电而发热后,温度升高,电阻增大,伏安特性呈曲线。
(2)测量整流二极管的伏安特性曲线
①采用稳压源。
②正向测试:最大正向电流I≤20 mA,二极管两端电压U≤1 V,实验点不少于20 个。
③反向测试:反向电压U≤20 V,实验点不少于10 个。
(3)测量稳压二极管的伏安特性曲线
①采用恒流源。
②正向测试:最大正向电流I≤20 mA,二极管两端电压U≤0.7 V,实验点不得少于20 个。
③反向测试:最大反向电流I≤30 mA,工作电压U≈5 V,实验点不得少于20 个。 解释稳压管的工作原理,给出工作电压。
(4)测量发光二极管的伏安特性曲线
①采用恒流源。
②正向测试:发光二极管最大正向电流I≤20 mA,二极管两端电压U≤3 V,实验点不少于15 个。 根据伏安特性曲线和实验中的观察(红外除外)找到开启电压,并根据下式计算不同颜色发光二极管的发光波长。
其中h 为普朗克常数,c 为光速,λ 为光的波长。
(5)总结各非线性元件的伏安特性
【附】
各单色光的波长和颜色的对应关系见表5.11。
表5.11 各单色光的波长和颜色的对应关系
