电工电子技术 课件 5任务二、基于Multisim的二极管电路仿真分析实验

任务二、基于Multisim的二极管电路仿真分析实验电工电子技术

黄燕华任务导学二极管在生产生活中有哪些应用?二极管电路与电工电路有什么不同?

任务导学二极管的应用有整流电路，即将交流电转换为脉动的直流电；开关电路，在数字、集成电路中利用二极管的单向导电性实现电路的导通或断开；保护仪表中利用二极管限幅作用；在稳压电路中应用了稳压二极管的稳压特性；液晶电视、电脑显示屏、手机等的显示屏都将发光二极管用作屏背光源。任务情境二极管最重要的特性是其单向导电性，利用该特性可以组成整流、钳位、隔离、限幅等电路，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件分析二极管在具体电路中的功能。任务实施1）如图所示电路，直流电压源E1=12V，E2=6V，VD1、VD2为二极管，判断二极管VD1、VD2是导通还是截止，求A、O两端的电压UAO。二极管导通判断电路图①根据图５-３进行理论分析计算，分析判断二极管的电位及导通、截止状态，填写完成表５-１和表５-２。名称阳极电位阴极电位阳极与阴极电位差二极管状态（导通、截止）二极管VD1

二极管VD2

初步判断二极管的状态表名称阳极电位阴极电位结论二极管VD1

二极管VD2

结论A点电位

O点电位

UAO最终判断二极管的状态表②基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件绘制仿真电路模型，判断二极管的状态ꎬ完成表５-３，进行仿真和理论的对比。二极管导通判断参数名称理论数值(状态)仿真数值(状态)VD1(状态)

VD2(状态)

UAO(数值)

2）如图5-4所示，已知E=5V，

，绘制出输出电压u0的波形。电路图名称阳极电位阴极电位二极管VD

名称数值状态二极管VD状态数值状态1

状态2

①根据图５-4进行理论分析计算，分析二极管的电位及导通、截止状态，完成表５-４和表５-５。表５-４二极管阳极、阴极电位表５-５二极管状态判断②将电压U0的波形图绘制在图5-5中。

图5-5输出电压的波形图绘制③基于Multisim软件构建仿真分析模型，应用示波器观察输入电压ui和输出电压u0的对比信号波形图。３)如图５-６所示,已知两个稳压管的稳定电压分别为ＵＺ＝１２Ｖ、

二极管的正向管压降为０.７Ｖ，画出输入电压ｕｉ、输出电压ｕ０的波形，说明稳压管在该电路中所起的作用。电路图①理论分析，完成表５-６和表５-７。②将电压ｕ０的波形图绘制在图５-７中。③基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件搭建仿真分析模型，应用示波器观察输入电压ｕｉ和输出电压u０的对比信号波形图。知识链接一、两种杂质半导体二、PN结的单向导电性三、半导体二极管四、Multisim中的示波器（Oscilloscope）

一、两种杂质半导体电工电子技术

黄燕华两种杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素,即可使其导电能力显著增强，这种半导体称为杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体有两种。（一）N型半导体掺入5价微量元素,如磷(P),形成N型半导体。空穴载流子少数载流子在N型半导体中电子载流子浓度极高，而由本征激发产生的空穴载流子浓度低，二者相差十分悬殊。电子载流子多数载流子（二）P型半导体掺入微量3价元素如硼(B),形成P型半导体。电子载流子,少数载流子在P型半导体中空穴载流子浓度极高，而由本征激发产生的电子载流子浓度低，二者相差十分悬殊。空穴载流子,多数载流子二、PN结的单向导电性电工电子技术

黄燕华PN结的单向导电性采用掺入杂质的方法，使一块本征半导体的一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，在这两种杂质半导体的交界面处就形成了一个具有特殊导电性能的薄层，称为PN结。PNPN结(一)外加正偏电压

P区接电源正极,N区接电源负极。在外电路中，电场方向从电源正极出发回到负极。PN结的单向导电性外加不同极性的电压时,PN结的导电能力相差极为悬殊。空穴电子IFPNUEPN结PN结呈现低电阻，在外电路产生很大的正向电流IF。正向导通电流：P区→N区。PN结处于正向导通状态。PNUIFE空穴电子PN结（二）外加反偏电压

P区接电源负极,N区接电源正极。UPNE空穴电子PN结PN结在反偏电压作用下，形成反向电流IR。此时PN结呈现极高电阻，反向电流IR≈0。PN结截止。注意：反向电流IR对温度变化敏感，温度增高,IR显著加大。UPNE空穴IR≈0电子PN结三、半导体二极管电工电子技术

黄燕华一.二极管的基本结构

半导体二极管阳极阴极VDPN阳极阴极几种二极管的外形塑料封装小功率二极管金属封装大功率二极管

阳极引线阴极引线PN结N型锗片金属铝触丝点接触型二极管特点:结面积小,能够承受的电压较低,只允许通过较小的正向电流。工作频率高，可达100MHz以上。二极管按结构分类多用于小功率整流、通讯技术中的检波、数字电路中的开关元件。国产检波二极管2AP系列和开关二极管2AK系列。面接触型二极管底座金锑合金N型硅片铝合金小球PN结阳极引线阴极引线特点:结面积大,允许通过工作频率低。多用于低频整流。国产硅二极管2CP系列和2CZ系列。较大的正向电流。二极管的伏安特性流过二极管的电流与其端电压的关系(一)正向特性二极管阳极（P区）接电源正极，阴极（N区）接电源负极。控制死区200100300-0.010.30.6-25-50I

/mAU

/V0+

U

–II=f（U）。死区电压硅管0.4～0.5V锗管0.2V左右正偏电压：硅管0.6～0.7V锗管0.3V左右(二)反向特性反向特性0-0.01200I

/mAU

/V1003000.30.6-25-50AB二极管阳极（P区）接电源负极，阴极（N区）接电源正极。

U

I–+

造成二极管永久性损坏。反向饱和电流

少子形成越小越好对温度变化十分敏感。反向击穿

AB段控制死区200100300-0.010.30.6-25-50I

/mAU

/V0AB硅二极管的伏安特性0I/mAU

/V0.20.4–40–8051015–0.1–0.2锗管的伏安特性PN结加正偏电压：PN结所处的状态称为正向导通。特点：PN结正向电流大，PN结电阻小,管压降低U≈0。相当于开关闭合。三.理想二极管

PN结的单向导电性+-UIU0理想二极管伏安特性PN结加反偏电压：PN结所处的状态称为反向截止。特点：反向饱和电流极小，近似为零。PN结电阻极大,近似为∞。相当于开关断开。IU0理想二极管伏安特性+-U二极管的使用知识(一)二极管的型号根据我国的国家标准，二极管型号命名由5部分组成。第一部分是阿拉伯数字“2”,表示二极管。第二部分是用汉语拼音字母表示二极管的材料和极性。第三部分是用汉语拼音字母表示二极管的类型，例如P是普通管(小信号管)、Z是整流管、W是稳压管、K是开关二极管等。第四部分是用阿拉伯数字表示该二极管的序号,不同序号二极管的特性参数不同。第五部分是用汉语拼音字母表示该二极管的规格号，不同规格号的二极管只是个别参数有所不同。二极管型号举例：2AP1〜2AP10、2CZ53〜2CZ57等。二极管的主要参数最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。最高反向工作电压UR它是保证二极管不被反向击穿所能承受的反向峰值电压。一般是反向击穿电压的一半左右。表示二极管的特性。是选择和正确使用二极管的依据。实际使用中，工作电流超过最大整流电流IF，将使管子温升过高，烧坏PN结。以上两个参数表示二极管承受正向导通电流和反向电压的能力，从使用的角度出发，应该越大越好。最大反向电流IRM

它是指二极管加上最高反向工作电压时的反向电流值，IRM越小，二极管的单向导电性越好。产品举例2AP8N型锗材料，普通管（点接触型）。IF=35mAUR=10V最高工作频率f=150MHz主要用于检波和小功率整流。2CZ53MN型硅材料，整流二极管（面接触型）。IF=0.3AUR=100VUF≤1V最高工作频率f=1kHz选用二极管的原则要求正向平均电流大、反向工作电压高、反向电流小且热稳定性好（如整流电路中的二极管），以选用面接触型硅二极管为好，如2CZ、2DZ系列产品。要求正向平均电流小、但要求工作频率高且正向导通电压较低（如检波、小功率整流电路中的二极管），宜选用点接触型锗二极管，如2AP系列产品。五.二极管应用电路举例（一）整流将交流电转换为脉动的直流电。ωtu0ωtu0(二)钳位与隔离钳位利用二极管的正向导通作用将电路中某点电位强行固定为某一确定值。隔离利用二极管的反向截止作用割断两部分电路之间的联系。稳压二极管稳压二极管的作用和特点：利用反向击穿特性实现稳定电压的作用。工作在反向击穿状态使用时，必须在电路中加入限流电阻，使流过稳压二极管的电流数值在允许的范围内。

用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管。特殊二极管发光二极管、光电二极管、稳压二极管等。U0I工作在反向击穿状态。阳极阴极VDZ+-U图形符号伏安特性曲线U0I一.稳压二极管的主要参数稳压二极管的反向击穿特性十分陡直,当电流在大范围内变化(△IZ),对应的电压(△UZ),变化很小。A△UZ△IZ1.稳定电压UZ反向击穿区正常工作范围内某一确定点(如A点)所对应的端电压。不同型号的稳压管具有不同的稳压值,同一型号稳压管的稳压值也略有差别。如2CW58稳定电压是反向电流为5mA时所对应的端电压此时UZ=9.2～10.5V

2.最大耗散功率PZM和最大稳定电流IZmax稳压管正常工作时允许消耗的最大功率PZM=UZ·IZmax

PZM由最大稳定电流IZmax决定,使用中不得超过。如2CW58IZmax=23mAPZM=UZ·IZmax=10.5×0.023=0.24W(0.25W)U0AIUZIZmax实际工作时，稳压管消耗的功率超过PZM将使稳压管温升过高，造成永久性损坏。+-UZIZ3.

动态电阻rz衡量稳压管稳压性能优劣的指标之一。rz是稳压管在反向工作区内电压变化量

UZ与电流变化量

IZ的比值，即动态电阻越小，反向击穿特性曲线越陡，稳压性能越好。稳压管的rz都比较小，

2CW58在电流IZ=5mA时,动态电阻rz

=25Ω。U0AI△IZ△UZ一般在几欧姆至几十之间欧姆。4.温度系数αu

表示稳定电压受环境温度变化影响的参数。定义：环境温度变化1°C引起稳定电压的相对变化量。温度系数αu

越小越好。一般稳压二极管稳定电压Uz高于6V的，温度系数αu为正值；稳定电压Uz低于6V的，温度系数αu为负值。Uz=

6V左右的，稳定电压Uz受环境温度变化的影响最小。四、Multisim中的示波器（Oscilloscope）电工电子技术

黄燕华示波器是电子实验中使用最为频繁的仪器之一。它可以用来显示电信号波形的形状、幅度、频率等参数。Multisim提供的双通道示波器图标及接线符号如图5-33所示。该示波器可以观察一路或两路信号波形的形状，分析被测周期信号的幅值和频率，时间基淮可在纳秒至秒范围内调节。打开仪器工具栏（在菜单栏上右键单击，选择仪器，让仪器前面有打勾的状态），在右边的仪器栏中从上往下第4个图标

即为双综示波器图标，第5个图标

是四踪示波器。

示波器有两个通道，可以同时观察两路信号，需要看某个元器件的信号就并在该元器件两端，比如要看电阻两端电压变压，就把示波器的A通道和电阻两端并联，如果这时还要看电容端电压变化，那么再把两端并联到B通道。示波器图标有四个连接点：A通道输入、B通道揄入、外触发端T和接地端G。Multisim中的示波器（Oscilloscope）双通道示波器图标及接线符号示波器的面板如图5-34所示，面板由两部分组成：上面是示波器的观察窗口，显示A、B两通道的信号波形；下面是它的控制面板和数轴数据显示区。示波器的控制面板各部分功能如下。示波器面板1、Timebase（时间基准）用于设置扫描时间及信号显示方式，如图5-34所示：（1）Scale设置扫描时间：设置扫描时间是通过上下箭头，调整扫描时间长短，设置显示波形的X轴时间基准，可以控制波形在示波器X轴向显示清晰度。信号频率越高，扫描时间越短。例如，频率为1kHz的信号，扫描时间设置为1ms/Div为最佳，信号显示方式必须为（Y/T）状态。Xposition(X轴位置）：设置X轴的起始位置（范围为-5.00~5.00）。当“Xpos.”设为“0”时，波形起始点就从示波器显示屏的左边开始。如果设一个正值，波形起点就向右移。如果设置一个负值，波形起点就向左移。显示方式设置如下。1)Y/T：选中表示水平扫描信号为时间基线，垂直扫描信号为A或B通道输入信号。2)Add：选中表示水平扫描信号为时间基线，垂直扫描信号为A和B通道输入信号之和。3）B/A：选中表示水平扫描信号为A通道输入信号，垂直扫描信号为B通道输入信号。④A/B：选中表示水平扫描信号为B通道输入信号，垂直扫描信号为A通道输入信号。2、ChannelA（通道A）设置1)Scale（量程）：通道A的Y轴电压刻度设置，即每刻度的电压值，范围：1FV/Div~TV/Div。如果示波器显示处在A/B或B/A模式时，它也控制X轴向的灵敏度。若要在示波器上得到合适的波形显示，信号通道必须作适当调整。比如，Y轴刻度电压值设置为1V/Div时，波器显示输人信号AC电压为3V比较合适。如果每刻度电压值大，波形就会变小；相反，每刻度电压值太小，波形就会变大，甚至两峰顶将会被截断。2)Ypos.(Div)（Y轴位置)：设置Y轴的起始点位置，起始点为0表明Y轴和X轴重合，起始点为正值时表明Y轴原点位置向上移，否则向下移，比如被设置为“1.00”时，信号波形就移到X轴上方，以Y=+1为对称轴；设置为“-1.00”时，波形就移到以Y=-1为对称轴。改变输入A、B通道信号波形在Y方向上的位置，可以使它们容易被分辦。通常情况下，通道A、B波形总是重叠的，如果增加通道A的“Ypos.”值，减小通道B的“Ypos.”值，两者的波形就可以分离，从而容易分析，便于研究。3）“AC”：（交流）耦合时只有信号的交流部分被显示。交流耦合是示波器的探头上串联电容起作用，就像现实中的示波器一样。使用交流耦合，第一个周期的显示是不准确的。一旦直流部分被计算出来，并在第一个周期后被剔除掉，波形就正确了。4)“0”：设置输入端接地。5）“DC”：（直流）耦合时不仅有信号的交流部分，还有直流部分叠加在一起被显示。此时的“Ypos.”应选择为0，以便测量直流成分。注意：用示波器测试电路的交流信号时，千万不要在示波器的测试笔上串接一个电容，因为这样做就不能为示波器提供电流通路，仿真电路时，被认为是错误的。3、ChannelB（通道B)设置通道B的Y轴量程、起始点、耦合方式等项内容的设置与通道A相同。4、Trigger（触发）方式示波器触发方式主要用来设置X轴的触发信号、触发电平及边沿等。1)Edge(触发沿)：设置被测信号开始的方式。包括：上升沿触发、下降沿触发、A通道信号作为触发信号、B通道信号作为触发信号、Ext为外触发信号。2）Level(触发电平）：触发电平是给输入信号设置门槛，信号幅度达到触发电平时，示波器才开始扫描。范围：-999FV~1000TV。技巧：一个幅度很小的信号波形不可能达到触发电平设置的值，这时要把触发电平设置为Auto。3)Single：单脉冲触发，触发信号电平达到触发电平门槛时，示波器只扫描一次。4)Normal：一般脉冲触发，触发信号电平只要达到触发电平门槛时，示波器就扫描。5)Auto：自动脉冲触发，如果是小信号或希望尽可能快地显示，则选择“Auto”按钮。6）None：无脉冲触发，一旦按下None按钮，示波器通道选择、内外触发信号选择就毫无意义。5、观察窗口在示波器的观察窗口中有两条可以左右移动的读数指针，指针上方有三角形标志，通过鼠标左键可拖动读数指针左右移动，在数据显示区会显示出相应的数据。该区域有T1区、T2区和T2-T1区。1）T1区：显示移动T1数轴（红色）读取的数据。Time：T1数轴对应的X轴的值。Channel_A(VA1)：T1数轴与A通道波形相交位置的Y轴的值。Channel_B(VB1)：T1数轴与B通道波形相交位置的Y轴的值。2）T2区：显示移动T2数轴（蓝色）读取的数据，与T1区类似。3）T2-T1区：显示T2与T1数轴之间差值的有关数据。T2-T1：T2和T1数轴间的X轴方向的差值。VA1-VA2：T2和T1数轴间的A通道波形Y轴方向的差值。VB1-VB2：T2和T1数轴间的B通道波形Y轴方向的差值。示波器使用时为了区分A、B两通道的波形，可以将两路波形以不同的颜色来显示。方法是：将鼠标指向连接A、B通道的导线，右击弹出快捷菜单选择SegmentColor，在对话框中选择不同的颜色。6、示波器接地若电路中已有接地端，示波器可以不接地。任务实施1）如图所示电路，直流电压源E1=12V，E2=6V，VD1、VD2为二极管，判断二极管VD1、VD2是导通还是截止，求A、O两端的电压UAO。二极管导通判断电路图①根据图５-３进行理论分析计算，分析判断二极管的电位及导通、截止状态，填写完成表５-１和表５-２。名称阳极电位阴极电位阳极与阴极电位差二极管状态（导通、截止）二极管VD1

二极管VD2

初步判断二极管的状态表名称阳极电位阴极电位结论二极管VD1

二极管VD2

结论A点电位

O点电位

UAO最终判断二极管的状态表名称阳极电位阴极电位阳极与阴极电位差状态（导通、截止）二极管VD1+12V0V12V需再次判断二极管VD2+12V-6V18V先导通初步判断二极管的状态表名称阳极电位阴极电位结论二极管VD1-6V0V截止二极管VD2+12V-6V导通结论A点电位