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PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征

标签:二极,二极管,管的,电源,模块,特征 时间:2020年01月23日 阅读10
【导读】二极管的电源模块流与电源模块压特征可以使用ADALM2000模块和以下连接来测量。蓝色方框透露表现ADALM2000板的连接位置。在面包板搭建电源模块路,波形发生器的输出W1连接到电源模块阻的一端。2+示波器输入也连接到此处。电源模块阻的另一端连接到二极管的一端,如图1所示。2-示波器输入和1+示波器输入连接到电源模块阻的第二端。二极管的另一端和1-示波器输入连接到地。   目标   本次实验的目的是研究二极管(PN结)的电源模块流与电源模块压特征。   子分类:   ● 2a. 半波整流器 ● 2b. 全波整流器 ● 2c. 桥式整流器 ● 2d. 限幅器/箝位电源模块路 ● 2e. 交流耦合和直流恢复 ● 2f. 可变衰减器 ● 2g. 绝对值电源模块路 ● 2h. 电源模块压倍增器电源模块路   材料   ● ADALM2000自动学习模块 ● 面包板 ● 一个电源模块阻(1 kΩ或1 kΩ至5 kΩ的范围的电源模块阻值) ● 一个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件))   引导   二极管的电源模块流与电源模块压特征可以使用ADALM2000模块和以下连接来测量。蓝色方框透露表现ADALM2000板的连接位置。在面包板搭建电源模块路,波形发生器的输出W1连接到电源模块阻的一端。2+示波器输入也连接到此处。电源模块阻的另一端连接到二极管的一端,如图1所示。2-示波器输入和1+示波器输入连接到电源模块阻的第二端。二极管的另一端和1-示波器输入连接到地。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图1. 二极管I/V曲线的连接图   硬件设置   波形发生器配置为100 Hz三角波,幅度为6 V,偏移为0 V。示波器通道2的差分输入(2+、2-)用于测量电源模块阻(和二极管)中的电源模块流。示波器通道1的单端输入(1+)用于测量二极管两端的电源模块压(1-输入可以接地)。示波器通道1设置为每格500 mV,通道2也设置为每格500 mV。流过二极管 ID 的电源模块流是通道2测得的电源模块压除以电源模块阻值(本例中为1kΩ)的效果。使用XY表现模式在x轴上绘制二极管两端的电源模块压(示波器通道1),在y轴上绘制二极管中的电源模块流(示波器通道2)。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图2.电源模块流与电源模块压,线性坐标系.   步骤   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图3.电源模块流与电源模块压(线性坐标系使用Scopy绘图)   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图4. 电源模块流与电源模块压(线性坐标系使用Excel绘图)   将捕捉的数据加载到Excel等电源模块子表格程序中,计算二极管电源模块流 ID。绘制电源模块流与二极管两端电源模块压的曲线。二极管电源模块压和电源模块流的关系是对数式的。假如在对数坐标系上绘制app应用,效果应为直线,如图5所示。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图5. 电源模块流与电源模块压,对数坐标系   题目   给定二极管两端的电源模块压 ID ,二极管电源模块流 VD的数学表达式是什么?   二极管特征的进一步探究   测量多个1N914二极管在固定 VD时的二极管特征 ID, ADALP2000模仿器件套件中应该有四个二极管,您可以请求与实验室伙伴交 换,获得更多样品。计算测量效果的平均值和变异系数(CV,定义为标准误差除以平均值的百分比)。讨论您观测到的转变量,这常常是半导体工程师所说的工艺误差的测量指标。   用发光二极管(LED)替代1N914二极管。ADALP2000模仿器件套件中应当有红光、黄光、绿光和红外LED。给定二极管两端的电源模块压 ID时,LED的二极管电源模块流 VD 的数学表达式是否与1N914相似?它们在什么方面相似,在什么方面不同?红光、黄光和绿光LED是否以雷同的正向电源模块压开启?   2a. 半波整流器   目标   本次实验的目的是研究二极管作为半波整流器的用途。   材料   ● 一个电源模块阻(4.7 kΩ或其他类似值) ● 一个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件)   引导   设置面包板,波形发生器输出W1连接到二极管的一端。二极管的另一端连接到负载电源模块阻的一端,如图6所示。负载电源模块阻的另一端接地。示波器通道2的单端输入(2+)也连接到电源模块阻的未接地端(2-输入可以接地)。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图6. 半波二极管整流器的连接图   硬件设置   波形发生器配置为100 Hz正弦波,幅度为6 V,偏移为0 V。示波器通道2 (2+)用于测量负载电源模块阻RL两端的电源模块压。两个示波器通道均应设置为每格500 mV。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图7.半波二极管整流器面包板电源模块路   步骤   使用Scopy工具中的示波器功能绘制这两个波形。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图8. 半波整流波形   题目   为什么整流输出的峰值小于交流输入的峰值?小多少?在输入波形的什么位置整流波形变为正(零点以外的位置)?假如二极管的方向反转会发生什么?将二极管的方向反转并重复实验。   进一步探索   用发光二极管代替1N914二极管。您可能必要将AWG1幅度增长到10 V,以适应LED的更高正向压降。     1. 整流输出波形与之前使用1N914二极管的效果相比如何?正偏压降进步多少?   2. 用三种不同的波形做实验,波形发生器保持设置为100 Hz,细致LED的亮度。讨论您观察到的波形和亮度,并将这些观察效果与您测得的每个波形的有用直流值联系起来。   3. 降低波形发生器频率,将频率设置为0.2 Hz(每五秒一个周期)。当波形发生器频率为1 Hz或更低时,讨论每种波形(共三种)所对应的LED光强度。   4. 闪烁的LED在什么频率制止闪烁,开始持续发光?   2b. 全波整流器   目标   本次实验的目的是研究两个二极管作为全波整流器的用途。   材料   ● 一个电源模块阻(4.7 kΩ或其他类似值) ● 两个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件)   引导   设置面包板,W1连接到第一个二极管D1的一端,W2连接到第二个二极管D2的一端。两个二极管应朝向雷同方向。每个二极管的另一端连接到负载电源模块阻的一端塑料周转箱,如图9所示。电源模块阻的另一端接地。示波器通道2的单端输入(2+)连接到电源模块阻和两个二极管的接合点。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图9.全波二极管整流器的连接图   硬件设置   第一起波形发生器W1应配置为100 Hz正弦波,幅度为6 V,偏移为0 V。第二路波形发生器W2也应配置为100 Hz正弦波,幅度为6 V,偏移为0 V,但相位设置为180°。示波器通道2的单端输入(2+)用于测量负载电源模块阻两端的电源模块压。两个示波器通道均应设置为每格500 mV。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图10. 全波二极管整流器面包板电源模块路   步骤   使用Scopy工具提供的示波器绘制这两个波形。假如交流输入的0°和180°相位设置无误,那么第二个二极管可以弥补输入缺失的半波,产生全波整流旌旗灯号,如图11所示。同样,二极管的正向电源模块压是很显明的,并且输出波形在过零处不会出现尖点,缘故原由是二极管的导通电源模块压非零。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图11. 全波整流波形   题目   假如二极管的方向反转会发生什么?将两个二极管的方向均反转并重复实验。   假如一个二极管的方向与另一个二极管的方向相反会发生什么?将一个二极管的方向反转并重复实验。   如何从单个旌旗灯号源产生0°和180°相位(例如变压器)?   进一步探索   用红光和绿光LED替代D1和D2。将波形发生器的幅度增长到10 V(以适应LED的更高的导通电源模块压)。将频率降至5 Hz或更低。这两个LED是否同时开启?     1. 整流输出波形与之前使用1N914二极管的效果相比如何?正偏压降进步多少?   2. 用三种不同的波形做实验,波形发生器设置为100 Hz,细致LED的亮度。讨论您观察到的波形和亮度,并将这些观察效果与您测得的每个波形的有用直流值联系起来。   3. 降低波形发生器频率,将频率设置为0.2 Hz(每五秒一个周期)。当波形发生器频率为1 Hz或更低时,讨论每种波形(共三种)所对应的LED光强度。   4. 闪烁的LED在什么频率制止闪烁,开始持续发光?   2c.桥式整流器   目标   本次实验的目的是研究四个二极管作为桥式整流器的用途。   材料   ● 一个电源模块阻(4.7 kΩ或其他类似值) ● 四个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件)   引导   四个二极管可以按桥式配置排列,以便从单一交流相位提供全波整流,如图12所示。但是,可以看到交流输入端和负载端只能有一个连接在参考地上。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图12. 二极管桥式整流器的连接图   硬件设置   T波形发生器应配置为100 Hz正弦波,幅度为6 V,偏移为0 V。示波器通道2(2+、2-)用于测量负载电源模块阻RL两端的电源模块压。两个示 波器通道均应设置为每格500 mV。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图13.二极管桥式整流器面包板电源模块路   步骤   使用Scopy工具提供的示波器绘制这两个波形。该电源模块路的瑕玷是,如今有两个二极管压降与负载串联,使得整流输出的峰值比交流输入小1.2V,而不是之前电源模块路中的0.6 V。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图14. 全波桥式整流器波形   题目   您将如何重新配置此电源模块路以使负载电源模块阻的一端接地,而不是像图8表现的那样——交流源的一端接地?   进一步探索   用红光和绿光LED替代所有四个二极管D1、D2、D3和D4。将波形发生器的幅度增长到10 V(以适应LED的更高导通电源模块压)。将 频率降至5 Hz或更低。是否有两个LED同时开启?假如有,是哪两个?     1. 整流输出波形与之前使用1N914二极管的效果相比如何?正偏压降进步多少? 用三种不同的波形做实验,波形发生器设置为100Hz,细致LED的亮度。讨论您观察到的波形和亮度,并将这些观察效果与您测得的每个  2. 波形的有用直流值联系起来。   3. 降低波形发生器频率,将频率设置为0.2Hz(每五秒一个周期)。当波形发生器频率为1Hz或更低时,讨论每种波形(共三种)所对应的LED光强度。   4. 闪烁的LED在什么频率制止闪烁,开始持续发光?   2d. 限幅器/箝位电源模块路   目标   本次实验的目的是研究二极管作为限幅或箝位电源模块路的用途。   M材料   ● 一个10 kΩ电源模块阻(或其他类似值) ● 两个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件)   引导   设置面包板,波形发生器输出(W1)连接到10 kΩ电源模块阻的一端,如图15所示。一个二极管(D1)连接在10 kΩ电源模块阻的另一端与第二路 函数发生器的输出之间。第二个二极管D2连接在地和D1的顶部之间,如图所示。示波器通道2 (2+)连接到电源模块阻和两个二极管的公共连接处。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图15. 二极管箝位的连接图   硬件设置   第一起波形发生器应配置为100 Hz正弦波,幅度为6 V,偏移为0 V。第二路波形发生器应配置0 V幅度,肇端偏移为0 V。稍后将 改变第二路波形发生器的偏移,观察其对输出旌旗灯号的影响。示波器通道2 (2+)用于测量箝位/限幅电源模块压,应设置为每格500 mV。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图16. 二极管箝位面包板电源模块路   步骤   将第二路波形发生器w2的直流偏移值设置为零,观察示波器通道2 (2+)上表现的电源模块压的最小值和最大值。在-2 V和+2 V之间调 整第二路波形发生器w2的直流偏移,观察示波器上表现的最小和最大电源模块压。反转两个二极管D1和D2的方向。重复调节直流偏移,观察示波器上表现的最小和最大电源模块压。两组测量效果相比如何?   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图17. 二极管箝位波形   题目   假如两个二极管D1和D2均连接到第二路旌旗灯号发生器输出,电源模块压限值会发生什么转变?   2e. 交流耦合和直流恢复   目标   本次实验的目的是研究交流耦合以及二极管作为直流恢复电源模块路的用途。很多旌旗灯号包含直流分量。这种直流分量常常要被移除,在之后的旌旗灯号路径中可能会恢复为不同的直流电源模块平。   材料   ● 一个1.0μF电源模块容(或其他类似值) ● 一个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件)   引导   设置面包板,W1连接到1.0μF电源模块容的一端,如图18所示。二极管(D1)连接在1.0μF电源模块容的另一端和第二路波形发生器W2的输出之间。示波器通道2的单端输入(2+)连接到电源模块容和二极管的公共连接处。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图18.直流恢复电源模块路的连接图   硬件设置   第一个波形发生器配置为1 kHz正弦波,幅度为2 V,肇端偏移为0 V。稍后将改变偏移量,观察其对输出的影响。第二个波形发生器幅度配置为0 V,肇端偏移为0 V。稍后将改变偏移量,观察其对输出的影响。示波器通道2 (2+)用于测量电源模块压,应设置为每格500 mV。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图19. 直流恢复面包板电源模块路   步骤   使用Scopy工具提供的示波器绘制这两个波形。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图20. 直流恢复波形   用10 kΩ电源模块阻替代电源模块路中的二极管D1。使用示波器上的测量选项卡,当波形发生器通道1的偏移在-1 V和+1 V之间转变时,读取并记录通道2 (2+)的正负峰值和平均值。如今将波形发生器通道 1设置为方波,幅度值同样为2 V。同之前一样,当方波的占空比在10%和90%之间转变时,读取并记录正负峰值和平均值。如今移除10 kΩ电源模块阻,将二极管D1放回原位。重复刚才使用电源模块阻进行的雷同测量,调整直流偏移和占空比。测量效果相比如何?反转二极管D1的方向,再次重复这些测量。测量效果与前两次相比如何?   题目   当D1的方向反转时发生了什么?对于第二路波形发生器(W2)的输出,设置不同直流值有何影响?   2f. 可变衰减器   目标   本次实验的目标是使用二极管构建、表征和分析小旌旗灯号可变衰减器。   材料   ● 一个2.2 kΩ电源模块阻 ● 一个4.7 kΩ电源模块阻 ● 一个10 kΩ电源模块阻 ● 一个5 kΩ可变电源模块阻、电源模块位计 ● 两个0.1μF电源模块容 ● 一个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件)   引导   设置面包板,第一个波形发生器连接到0.1μF电源模块容的一端,如图21所示。电源模块阻R1连接在C1的第二端与D1、R2、C2的接合点之间。D1的另一端接地。电源模块阻R2的第二端连接到电源模块位计R3的滑动端。R3的两端分别连接到地和Vp (5V)。示波器通道2 (2+)连接到电源模块容C2和负载电源模块阻R4的公共连接处。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图21.可变衰减器的连接图   硬件设置   波形发生器W1配置为10 kHz正弦波,幅度为200 mV(或更小),偏移设置为0 V。示波器通道1+设置为每格100 mV,R4处连接的 示波器通道2+设置为每格100 mV。设置测量选项卡以表现通道1峰峰值和通道2峰峰值。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图22.可变衰减器面包板电源模块路   步骤   使用Scopy工具提供的示波器绘制这两个波形。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图23.可变衰减器波形   TC1(和C2)的作用是阻止直流分量进入输入和输出电源模块路,使得二极管的工作点不受影响。衰减器使用了如下原理:二极管的小旌旗灯号电源模块阻 ID是二极管中流过的直流电源模块流ID的函数。参见公式1。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征   其中:   n为二极管面积(尺寸)比例系数   VT 为热电源模块压   ID 为二极管电源模块流   k 为玻尔兹曼常数   q为电源模块子电源模块荷   T为绝对温度   在电源模块路中,R1和D1的电源模块阻之间设置了一个分压器。通过改变R2中的电源模块流来改变D1中的电源模块流。当D1中的电源模块流很小时, rD 很大,输出端看到的输入旌旗灯号比例很大。随着D1中的电源模块流增长,其电源模块阻减小,输出端看到的输入部分削减。   题目   在不造成输出旌旗灯号失真的情况下,您可以使用的最大输入旌旗灯号电源模块平是多少?什么电源模块路参数决定输入旌旗灯号的上限?   2g. 绝对值电源模块路   目标   本次实验的目的是研究绝对值电源模块路。整流器或绝对值电源模块路常常用作检波器,以将交流旌旗灯号的幅度转换为更容易测量的直流值。对于此类电源模块路,交流旌旗灯号首先辈行高通滤波以去除任何直流成分,然后进行整流,可能还会进行低通滤波。正如我们在用二极管构建的简单整流电源模块路中所看到的那样,该电源模块路对幅度小于二极管压降(硅二极管为0.6 V)的旌旗灯号反应不佳。因此,它不适合用于要测量小幅度旌旗灯号的设计。对于必要高精度的设计,运算放大器可与二极管配合使用来构建细密整流器。   材料   ● 一个双通道运算放大器(ADTL082或类似产品) ● 五个10 kΩ电源模块阻 ● 两个小旌旗灯号二极管(1N914或类似元件) ● 两个4.7μF解耦电源模块容   引导   通过增长两个二极管,可将反相运算放大器电源模块路改造为理想、(线性细密)半波整流器,如图24所示。对于输入的负半部分,二极管D1反偏,二极管D2正偏,电源模块路作为常规反相器工作,增益为-1。对于输入的正半部分奥龙驾驶室,二极管D1正偏,使放大器四周的反馈闭合。二极管D2反偏,断开输出与放大器的连接。通过10 kΩ电源模块阻,输出将处于虚地电源模块位(负输入端)。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图24. 细密半波整流器的连接图   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图25.细密半波整流器面包板电源模块路   步骤   如图26所示,整流输出的峰值如今等于输入的峰值。当输入过零时,也会出现急剧变化。实验者可以研究电源模块路中不同点的波形,诠释为什么这个电源模块路比简单的二极管半波整流器更好。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图26. 细密半波整流器波形   引导   图27所示的电源模块路是一个绝对值电源模块路,常常称其为细密全波整流器。它应当像一个由理想二极管构建的全波整流电源模块路那样工作(正领导通时,二极管两端的电源模块压等于0 V)。电源模块路中现实使用的二极管会有大约0.6 V的正向电源模块压。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图27.绝对值电源模块路的连接图   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图28. 绝对值面包板电源模块路   步骤   对于此实验演习,您应当:     a. 研究电源模块路并弄懂其工作原理。有一个特别很是基本的概念应该有助于理解此电源模块路的工作原理。给定一个配置为负反馈的运算放大器,反相和同相输入端会试图达到雷同的电源模块压电源模块平,这常常被称为虚短路。   b. 计同等些测试方案,看看这个电源模块路是否确实是绝对值电源模块路。实行这些测试,完备记录所有测试和效果。   c. 设置输入旌旗灯号为1 kHz的6 V正弦波。细心测量并记录电源模块路中所有节点的电源模块压。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图29. 绝对值波形   题目   通过完备记录所有测试和效果来汇报您的实验   2h. 电源模块压倍增器电源模块路   在负载电源模块流相对较小且所需直流电源模块压高于体系电源模块源可提供电源模块压的情况下,电源模块压倍增器特别很是有效。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图30.电源模块压倍增器电源模块路的连接图。   此电源模块路的工作原理不像之前研究过的二极管整流电源模块路那么简单。为了理解这个电源模块路,我们必要在W1提供的交流输入的延续半周期期间观察它。我们将从假设使用理想器件开始,C1 = C2。     1. 在第一个负半周期中,D1正偏,将C1的右端保持在比地低一个二极管压降的电源模块平。因此,C1将充电源模块到几乎等于交流输入峰值电源模块压 (vPEAK)的电源模块压,其左端相对于地为负。     2. 在接下来的正半周期中,D1反偏,不会传导电源模块流。C1上的电源模块压将增长到交流输入电源模块压上河南人事考试信息网,因此D2的左端会出现约2 VPEAK 的电源模块压。因为C2根本没有充电源模块,所以这将使D2正偏,并许可C1右端的电源模块压施加到C2的顶部。当C1放电源模块时,C2充电源模块,直到两个电源模块容不再能使D2正偏。对于第一个正半周期,C2上的电源模块压等于 VPEAK, C1完全放电源模块,因此D2左端的所有电源模块压都来自交流输入。     3. 在下一个负半周期,C1通过D1再次充电源模块至 VPEAK。假如没有负载来给C2放电源模块,其输出将保持在 +VPEAK。     4. 假如没有负载来给C2放电源模块,其输出将保持在 +VPEAK,而D2左端电源模块压再次为 +2 VPEAK。同样,C1将其部分电源模块荷转移到C2,但这次是在C2充电源模块到 +1.5 VPEAK电源模块压时制止。     5. 此操作一个周期一个周期地持续进行,C1在每个负半周期完全充电源模块至 VPEAK K,然后将C2充电源模块至其肇端电源模块压和 +2 VPEAK之间的中心电源模块压。C2永久不会充电源模块到 +2 VPEAK, 但会特别很是接近。   对于非理想元件,当正偏时,每个二极管上有很小(0.6 V)的电源模块压降。这会降低倍增器的最大空载输出电源模块压。此电源模块路上的任何负载(例如RL)总是从C2吸取电源模块流,从而会在肯定程度上给该电源模块容放电源模块。在每个正半周期,C1将对C2充电源模块,从其在中心半周期开始时的电源模块压一向充电源模块到 +2 VPEAK。输出上的纹波将更大,平均直流值将更低。   请细致,该电源模块路的输出电源模块流容量仅为通俗整流电源模块路的电源模块流容量的一半。从电源模块压倍增器获得的任何额外负载电源模块流都会导致C2以更快速度放电源模块,从而降低输出电源模块压。永久不可能从电源模块压倍增器中获得比输入更多的功率。   假如C1大于C2,C2的充电源模块和再充电源模块速度可以更快。例如,假如C1 =10μF且C2 =1μF,那么在每个正半周期,C1将把更多电源模块荷转 移到C2,C2上电源模块压的提拔速度将比C1上电源模块压的降落速度快得多。当然,这也意味着输出电源模块流容量更加有限,由于C2将敏捷放电源模块和充电源模块。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图31. 电源模块压倍增器面包板电源模块路   步骤   使用Scopy工具提供的示波器绘制这两个波形。   PN结二极管的电源模块流与电源模块压特征 图32.电源模块压倍增器波形   题目   图30中的电源模块路产生正向直流输出电源模块压。如何重新配置以产生负输出电源模块压?构建电源模块压逆变器并重复实验/仿真。   您可以在 学子专区博客上上找到题目答案。    

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