仿真研讨一 二极管的典型应用

Posted 2021-02-18 csuchenzc

                           仿真研讨一  二极管的典型应用

       让我们利用Multisim 14.0 软件来模拟二极管的典型应用，并将实验数据与理论数据相比较来验证已知结论。一般来说，模型精度越高，模型本身越复杂，要求的模型参数也越多，分析电路时的计算量就越大。因此，要根据使用条件和精度选择合适的二极管模型进行分析。

(1)常用整流二极管的三个基本参数测试

       利用 Multisim 的伏安特性测试仪 IV analyzer 测试常用 整流二极管的三个基本参数： IF（最大正向平均电流）、IS （反向饱和电流）、URM（反向击穿电压）。

实验材料：

①1N4001等各种型号二极管

②伏安特性测试仪

 

我们以 二极管IN4001 为例，仿真测试电路如图 1 所示。

 

　　　　　　　　 图-1.1

 通过IV analyzer观察我们得到二极管伏安图像如图2： 

 

 　　　　　　　　　　　　　图-1.2

当我们移动光标到截止区中间使得到：UR1 = -24.906V IR1 = -32.057nA

移动光标到正向击穿区的拐点位置时：UR2 = 710.456mV IR2 = 28.917mA

移动光标到截止区的拐点位置时：UR3 =-50.385V IR2＝-32.425nA

以下几组数据全都选自截止区：

       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

我们可以看到，截止区IN4001的反向饱和电流Is ≈ 32nA，反向击穿电压URM ≈ 50.3V，而且在反向击穿的时候，电流对电压变化极其敏感：电压变化不大，但电流值快速上升。所以我们要严格按照试验标准实验，避免二极管过热损坏。

 

下面为了更好的测量正向特性参数，我们将simulate param的范围调小，得到的二极管伏安特性曲线如图-1.3。

  

　　　　　　　　　　　　图-1.3

我们测得以下几组数据：

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

从 UD1 和 ID1 可以看出，我们一般将死区电压设为0.5V是合理的，此时二极管的正向电流处于微安级，二极管虽然正偏仍然处于截止状态；从 UD2 和 ID2 可以看出，在一般的等效处理过程中将UD(on)设为0.7V是合理的，此时二极管的正向电流达到毫安级，二极管已经正向导通状态。就图像而言，Si二极管的正向导通电压在0.6V-0.8V之间，在这个范围内，二极管刚刚导通，电流尚处于微安级别，但是一旦电压超过0.8V，电流的变化非常快。故我们在使用二极管时，应串联一个限流电阻防止二极管过热烧坏或击穿。

在下面的计算中，对于电压较小的电路一般采用二极管的恒压降模型，对于电压较大的电路一般采用理想模型。我们规定UD(on) = 0.7V。各模型如图-1.4所示。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　图-1.4

(2) 二极管小信号工作方式测试及其微变等效

实验材料：

① 1N4001 二极管

②50mV 1kHz交流和15V直流电源

③双踪示波器

④电压表

 

仿真电路如图-2.1所示。

 

                                                        图-2.1

　　二极管小信号工作方式仿真测试如图-2.1所示。示波器光标T1 ＝ 0时Channel A 的读数为 14.307V，与直流电压表 U1 的读数基本一致，反映的是负载 R1上输出直流电压平均值 UO，说明二极管的导通压降 UON ＝ 15V-14.307V = 0.693V；光标 T2 时刻读出输出波形的峰值 Uop 为 14.396V，近似等于直流电压表 U1 的读数 14.307V 加上 50mV 交流信号的峰值 70.7mV。

利用叠加定理，对电路进行微变等效：

我们约定：小写字母表示叠加定理中含交流信号电路里的物理量，大写字母表示叠加定理中直流电路里的物理量。

设rd为在交流电路中二极管所等效的电阻，

       rd = d(ud)/d(id) ≈ UT/ID 其中，UT在常温下为常数26mV，ID为直流电路中的电流

       ID = （7-0.7）/1K A = 14.3mA

       rd = 26/14.3 Ω ≈ 1.82Ω

       在交流电路中，交流电流

id = Ui/（rd+R1） ≈ 0.00004991A = 0.04991mA

R1 两端电压 ur1 = id * 1kΩ = 49.991mV

原电路总电流 iD = id + ID ≈ 14.38mA

原电路电压表示数 U = 14.3V + ur1 * sqrt(2) ≈ 14.371V

我们可以看到：仿真结果与我们计算所得结果误差

       （14.396 – 14.371）/14.371 ≈ 0.174%

仿真结果与理论计算高度符合。

 

(3)共阳和共阴接法时二极管优先导通测试

实验材料：

① 1N4001 二极管

②50mV 1kHz交流和15V直流电源

③双踪示波器

④电压表

 

共阳接法如图-3.1，共阴接法如图-3.2:

 

                                                         图-3.1

 

　　　　　　　　　　　　　　　图-3.2

我们现在需要验证的是:当共阳接法时,阴极点位最低的会优先导通,供阴接法时,阳极电位最高的会优先导通。

对于图-3.1所示电路:

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)我们可以得到二极管反向击穿电压为-50V,左右,因此D2,D3不但没有正向导通,也没有反向击穿,由此我们可以验证结论: 当共阳接法时,阴极点位最低的会优先导通。

       对于图-3.1所示电路:

    处理数据得到:

              UD1 = -7.342V

              UD2 = 0.658V

              UD3 = -5.342V

显然: D2优先被击穿。我们可以得到结论:供阴接法时,阳极电位最高的会优先导通。

测试结果充分证明了共阳或共阴接法时二极管优先导通结论的正确性。

(4)稳压管基本稳压电路测试

 实验器材：

① 1N4733 稳压管

②0.2mV 50Hz交流和8V直流电源

③双踪示波器

④电压表

⑤电阻和滑变电阻器各一个

 

       实验电路图如图-4.1。

 

                                                               图-4.1

我们将直流电源和交流电源串联起来从而模拟不稳定的电压。限流电阻确定后，负载电阻也许保证在一定范围内从而使稳压管工作时电流维持在IZmin-IZmax，只有这样才能维持R3两端电压的稳定，此时channel B所显示的图像应该近似为一条直线。模拟数据如图-4.2。

                                                    图-4.2

Channel A T2 = 0时电压为8.000V，这表示的电路电源的平均值。我们测得电路电源峰值为8.280V，计算理论值为 8.000V + sqrt(2)*0.2V = 8.283V，相对误差为(8.283V – 8.280V)/8.283V ≈ 0.03%，仿真的结果是可靠的。

在DC模式下我们可以看到channel B 电压在5V上下浮动，现在我们将模式调到AC再观察滑变电阻器两端电压。注意，我们将channel B的Scale调到了10mV/Div。

数据如图-4.3。

　　　　　　　　　　　　　图-4.3

我们可以发现，滑变电阻器AC模式下测得的交流浮动的绝对值不超过4mV，占5V电压的0.08%，完全可以忽略不计，因此可以认为滑变电阻器两端电压是稳定的。

通过仿真测试可以得到这样的结论：负载电阻在一定范围变化时,通过R1和D1组成的基本稳压电路后,负载上可以获得稳定的直流电压。