稳压管伏安特性测量中电表的正确接法

张明铎

(陕西师范大学，陕西 西安　710062)

稳压管伏安特性测量中电表的正确接法

张明铎

(陕西师范大学，陕西 西安710062)

摘 要：研究电流表接法对稳压二极管伏安特性测量结果的影响。理论分析和实验研究表明，测量稳压二极管的伏安特性时，在稳压管的正向死区和反向截止区电流表应该内接，在其正向导通区和反向击穿区电流表应该外接。这样，只要电流表内阻足够小且电压表内阻足够大，测量系统误差就远小于1%。

关键词：稳压二极管；伏安特性；电流表内接法；电流表外接法；系统误差

测量电学元件伏安特性是大学物理的基本实验之一。为了减少测量误差，针对待测元件电阻的不同， 测量电路中电表接法不同。主要分析稳压二极管(以下简称稳压管)伏安特性测量中，电表不同接法对测量结果的影响及其正确接法。

1测量原理

测量电学元件伏安特性的本质是找出通过该元件的电流I随其两端电压V变化的规律，具体就是找出具有代表性的若干组数据，然后作出“I-V”特性曲线。作为大学物理实验，电流值和电压值通常分别用电流表和电压表测量，常用测量电路有电流表内接法和电流表外接法。

图1　电流表内接

电流表内接法的测量电路如图1 所示。该方法测得的电流I是通过元件的电流值，但电压表测得的电压V是元件两端电压VR和电流表两端电压VA之和，所以元件两端的实际电压为：

VR=V-VA=V-IRA

(1)

式中RA为电流表内阻。测量的相对误差为

(2)

电流表外接法的测量电路如图2所示。该方法测得的电压V是元件两端的电压值，但电流表测得的电流I 是流过元件的电流IR和流过电压表的电流IV之和，所以流过元件的实际电流为

图2　电流表外接

(3)

式中RV为电压表内阻。测量的相对误差为

(4)

同时，若电表内阻已知，这种系统误差是可以修正的。用电流表内接法测量时，可对测得的电压值按式(1)进行修正，仅当RA<

2问题的提出

众所周知，稳压管具有正向导通电阻远小于反向电阻的特征。基于这一点和上述分析，在现行大学物理实验教材中，稳压管伏安特性的测量电路通常是正向特性采用电流表外接，反向特性采用电流表内接[1-12]。

(1)采用电流表外接法测量稳压管的正向伏安特性时，在电压较高致使稳压管导通的区段(以下简称导通区)，其导通电阻很小，测量误差很小，可以忽略；但在电压较低而未能使稳压管导通的区段(以下简称死区)，其电阻很大，电压表的分流效应不可忽视，必然会产生显著的测量误差。

(2)采用电流表内接法测量稳压管的反向伏安特性时，在电压较低而稳压管未被击穿的区段(以下简称截止区)，其电阻很大，测量误差很小，可以忽略；而在电压较高致使稳压管被击穿而未损坏的区段(以下简称击穿区)，其电阻很小，电流表的分压效应不可忽视，必然会产生显著的测量误差。

3电表的正确接法

据上述分析可知，稳压管的正向死区电阻和反向截止区电阻都很大，而其正向导通区电阻和反向击穿区电阻都很小。基于前面测量原理的分析，作者提出如图3所示测量方法。电路图本身与现有实验教材无多大差异，本质区别在于具体实验操作过程。

图3　稳压管伏安特性测量电路

稳压管正向伏安特性的测量：K2接到1，在电压较低的死区，采用电流表内接(K1接到1)进行测量；在电压较高的导通区，采用电流表外接(K1接到2)进行测量。

稳压管反向伏安特性的测量：K2接到2，在电压较低的截止区， 采用电流表内接(K1接到1)进行测量；在电压较高的击穿区，采用电流表外接(K1接到2)进行测量。

这里有两个问题需要解决：一是过渡区(从死区到导通区以及从截止区到击穿区)的判断，二是对过渡区测量结果的修正。

过渡区的判断方法：无论正向还是反向伏安特性，都采用电流表内接(K1接到1)，逐渐而缓慢地增加电压并观测电流。开始时，电流很小且基本不随电压变化，当电压增加到一定值时电流随电压较明显的增加，随后电流随着电压的增加而急剧增加。对于正向伏安特性，电流较明显增加对应的电压即正向导通电压Vd；对于反向伏安特性，电流较明显增加对应的电压即反向击穿电压VR。

过渡区测量结果的修正方法：在Vd(或VR)附近，稳压管电阻虽然远小于死区电阻(或截止区电阻)，但还是比导通电阻(或击穿区电阻)大，电流表的分压效应不可忽视，必要时可按式(1)对测量结果进行修正。

4实验验证

实验仪器：×××伏安特性实验仪(为避免广告嫌疑，仪器型号略)，主要参数见表1。

表1　伏安特性实验仪主要参数

测量对象：仪器自身所配稳压管。

对稳压管的正、反向伏安特性都分别采用电流表内接法和电流表外接法进行了测量，测量结果见表2和表3。

由表2可知，测量稳压管的正向伏安特性时，若采用电流表外接法，导通区测量误差很小(≪1%)，但死区测量误差很大；若采用电流表内接法，死区测量误差很小(≪1%)，但导通区测量误差较大(约3%～19%)。

由表3 可知，测量稳压管的反向伏安特性时，若采用电流表内接法，截止区测量误差很小(≪1%)，但击穿区测量误差较大(约1%～4%)，若采用电流表外接法，击穿区测量误差误差很小(≪1%)，但截止区测量误差很大(约7%～大于100%)。

表2　稳压管正向伏安特性

表3　稳压管反向伏安特性

综合分析表2和表3可知，无论是死区还是截止区，采用电流表内接的测量误差都很小(<<1%)；无论导通区还是击穿区，采用电流表外接的测量误差都很小(<<1%)。这一结果与上述分析吻合。

5结论

研究表明，测量稳压管的伏安特性时，不能简单地说正向特性采用电流表外接，反向特性采用电流表内接。正确做法应该是：在正向死区和反向截止区采用电流表内接，在正向导通区和反向击穿区采用电流表外接。这样，只要电流表内阻足够小且电压表内阻足够大，电表引起的测量系统误差远小于1%， 确保足够高的测量准确度。

鉴于二极管与稳压二极管具有相似的伏安特性，结论同样适用于二极管伏安特性的测量。

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Correct Connecting Way of the Ammeter for Measuring Volt-Ampere Characteristics of Zener Diode

ZHANG Ming-duo

(Shaanxi Normal University,Shanxi Xi’an 710062)

Abstract：The influence of different connecting way of the Ammeter on the measurement results of volt-ampere characteristics of Zener diode is studied.Theoretical analysis and experimental study show that measuring the volt-ampere characteristics of Zener diode,the Ammeter should be connected internally in the forward dead zone and the reverse cutoff region of the diode,and it should be connected externally in the forward conduction zone and the reverse breakdown area of the diode.So,as long as the Ammeter inner resistance is small enough and the voltmeter internal resistance is enough big,measurement system error is far less than 1%.

Key words：zener diode；volt-ampere characteristics；ammeter internal connecting way；ammeter external connecting way；system error

收稿日期：2015-12-02

文章编号：1007-2934(2016)02-0067-04

中图分类号：

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.018