林祖杰,陆秋夏,尹会听

(浙江海洋学院,浙江舟山 316000)

利用霍尔电流传感器对“示波法显示稳压二极管伏安特性曲线”实验的改进

林祖杰,陆秋夏,尹会听∗

(浙江海洋学院,浙江舟山 316000)

针对“示波法显示稳压二极管的伏安特性曲线”存在的问题,提出了改进方法。利用霍尔电流传感器解决原有电路在原理上的缺陷。模拟仿真和实验结果均显示,改进后的检测电路具有更好的示波显示效果和易调节性,可以更加准确的显示稳压二极管的伏安特性曲线。

霍尔电流传感器;示波法;二极管;伏安特性

在稳压二极管的应用中通常要对稳压二极管特性进行检测,以筛选适合的二极管[1]。稳压二极管伏安特性检测最普遍的方法是传统的伏安法测量二极管正、反向伏安特性[2-4],也可以用电桥法[5]、等效法[6]、元件互补法[7]等进行测量。大学物理实验课程中开设了“示波法显示稳压二极管的伏安特性曲线”实验项目[8],也可以得到该二极管的伏安特性以判断该二极管是否胜任于指定电路。

1 检测方法原理对比分析

传统的伏安法是应用电表采集二极管两端的电压以及对应流经的电流,再绘制二极管的伏安特性曲线。该方式简单易行,但若要描绘出精确的特性曲线便需要采集大量的数据,这给稳压二极管的实时检测带来不便,且需要耗费大量时间来采集数据[9]。考虑到这个因素,课程中[8]引入示波器来显示稳压二极管的伏安特性曲线。

采用示波法显示稳压二极管的伏安特性曲线原理如图1,在电源端输入所需正弦波形信号,负载R1为限流电阻,作用是使电路有一个合适的工作状态,并限定电路的工作电流。XE两端测得的是稳压二极管D两端的电压,YE两端测得的是R2两端的电压,电阻R2两端的电压与流经稳压二极管的电流强度成正比。故将稳压二极管的电压U加到示波器的“X轴输入”端,将稳压二极管的电流转化为电压后加到示波器的“Y轴输入”端,从而在示波器屏上得到伏安特性曲线图象。

图1 示波法原理图

从图1电路发现,在该电路图上提供给示波器X端稳压二极管的电压信号(XE两端电压)实际为稳压二极管与R2的电压之和。即示波器所显示的伏安特性曲线为:

(UD+UR2)~I2R2曲线

相比于理想的

UD~I2R2曲线

转换电阻R2为检测结果带来系统误差,由于R2对电流转换的必要性而无法避免该误差。

针对上述示波法检测电路存在的问题,已有文献[10]提出采用“减法电路”对电路进行改进以解决问题。即在电压信号输出端与电流输出端之间进行一次差分运算,从而消除电压信号输出端多出的IR2项,以解决实际电压信号并非二极管两端电压的问题。然而,该方法在运用运放的同时必须引入多个电阻,增加了实验的难度,并且运放电路的应用不可避免的影响两个输出信号的同步而引入新的误差。

笔者综合考虑多方面因素,引入霍尔电流传感器对检测电路进行改进,改进后的电路图如图2。本电路采用了开环霍尔电流传感器,其工作原理为原边电流I产生的磁通量聚焦在磁路中,并由霍尔元件检测成霍尔电压信号,经过放大器放大再输出,该电压可精确反映原边电流大小变化。

图2 改进后电路图

如此,示波器X端输入电压为UD,Y端输入电压为U0=KI,可在示波器中精确的显示稳压二极管的伏安特性曲线。

2 基于 protuse的检测电路模拟对比

针对以上电路的改进,在protuse电路仿真软件中构建了仿真电路图,如图3,并得到示波图像结果如图4和图5。

对比图4和图5两仿真示波图,可以明显看出,相比于通过电阻转换法测得的结果,通过霍尔电流传感器得到的稳压二极管伏安特性曲线更加准确。至此,电路改进后,从仿真角度对理论结果进行了验证。

图3 protuse仿真电路

图4 采用电阻转换电路仿真示波图

图5 采用霍尔传感器仿真示波图

3 稳压二极管伏安特性曲线检测电路的实验结果对比

针对示波法检测电路改进后的实际可行性,实验中通过上面两种检测电路对同一稳压二极管的伏安特性进行检测,并得到电路改进前后的示波器图像。在实验过程中,电路图如图1和图2,两种检测电路使用同一信号源,示波器设置偏转因数相同,示波器显示结果如图6和图7。

图6 通过电阻转换电路检测的示波图

图7 通过霍尔传感器电路检测的示波图

通过对比,采用霍尔电流传感器的检测电路对稳压二极管伏安特性曲线的检测更加准确。至此,针对示波法检测电路改进的实际可行性进行了验证,结果与理论统一。同时,使用霍尔电流传感器对二极管的伏安特性进行检测相比于“电阻转换电路”更加方便,不需要繁琐的调节变阻器;相比于复杂的“减法电路”,霍尔电流传感器只是单个电子元器件,省去减法电路中引入三极管及过多电阻的麻烦。采用霍尔电流传感器的电路更具实际应用价值。

4 结 论

示波法显示稳压二极管的伏安特性曲线处理速度快,结果直观,但原理缺陷也十分明显,利用霍尔电流传感器对原有电路进行改进可以解决原电路原理上的缺陷。经过仿真模拟和实验检验,均取得更好的伏安特性曲线图,且实验过程中具有更好的调节性,省去原来检测电路繁琐的电阻调节过程,具有很好的实际应用价值。

[1] W.G.Eicke,安芬.稳压二极管电压的精密测量法[J].电测与仪表,1966(5).

[2] 李俊,柴晓娜,周健,等.“二极管伏安特性曲线”实验方案的改进[J].阜阳师范学院学报:自然科学版,2012,29(3):73-75.

[3] 秦艳芬.对测绘二极管正向特性实验中电表接入误差的分析[J].大学物理实验,2001,14(3):63-64.

[4] 竺江峰,卢立娟,王建盛.利用二极管正向伏安特性的测量训练学生对系统误差的修正[J].大学物理实验,2004,17(4):60-62.

[5] 高伟.电桥法测二极管的伏安特性[J].物理实验, 1994,14(4):187-188.

[6] 桂维玲,陶肖韵.用等效法测二极管的伏安特性[J].物理实验,2000,20(11):39-40.

[7] 王新生,张银阁.用伏安法测绘二极管的伏安特性的研究[J].大学物理实验,2000,13(3):41-43.

[8] 竺江峰,鲁晓东,夏雪琴.大学物理实验教程[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2014:280-281.

[9] 邵建新.二极管伏安特性曲线测试电路的改进[J].物理实验,2002,22(3):42-43.

[10]刘宁.用示波器测二极管伏安特性曲线实验方法的讨论与改进[J].技术物理教学,2009,17(4): 41-42.

Based on Hall Current Sensor Im proving the Oscillometric M ethod of Displaying Voltage-am pere Characteristic

LIN Zu-jie,LU Qiu-xia,YIN Hui-ting
(Zhejiang Ocean University,Zhejiang Zhoushan 316000)

According to the problem when displaying voltage-ampere characteristic of diode by oscillometric method,we put forward an improvedmethod.Using the Hall current sensor solves the principle defecton original circuit.Analog and experimental results show that the improved detection-circuits are better on the oscilloscope display and are easy to regulated,and the voltage-ampere characteristic of diode is showed more accurately.

Hall current sensor;oscillometric method;diode;voltage-ampere characteristic

O 441.1

A

DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.018

1007-2934(2015)05-0060-04

2015-05-25

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