杨勇

（安顺学院数理学院，贵州安顺，561000）

摘要：针对“伏安法测二极管的特性”实验教学中遇到的问题，讨论了“伏安法测二极管的特性”实验中的几个难点：R₀和R₁初始取值的预置问题、电路平衡的调节问题、测量点的选取问题、二极管导通前后的测量方法，并就这几个难点给出了对策。

关键词：二极管；伏安特性；伏安法；难点

中图分类号：O411   文献标识码：A

Analysis of several difficulties in the experiment of measuring diode characteristics by voltammetry

Yang Yong

(1. School of Mathematics and Physics, Anshun University, Anshun, 561000, China)

Abstract:Combined with the problems encountered in the experimental teaching of "Measuring the characteristics of diodes by voltammetry" , discussed several difficulties in this experiment：the preset problem of the initial values of R₀ and R₁、the problem of circuit balance adjustment、the problem of measuring point selection、the measurement method before and after diode conduction. Finally，some countermeasures are given for these difficulties.

Key words:diode;  voltage-current characteristics;  voltammetry;  difficulties 

伏安法测二极管特性实验是普通物理实验之电磁学部分的一个重要实验项目，该实验在电路连接、电路调节、数据测量及实验分析等方面对学生有较高的要求。目前，有不少学者已对“伏安法测二极管的特性”实验的相关内容进行了一些讨论分析^[1-6]，主要集中在实验方法（如比较法、补偿法、电桥法、用示波器法等）的介绍、实验方法的改进、实验数据的处理等方面，而对具体实验操作过程的分析讨论则很少涉及，或者不够详细，下面将以桥式电路测二极管的正向伏安特性为例，结合杨述武等编著《普通物理实验2:电磁学部分（第四版）》的教材中的实验要求^[7]，对该实验中遇到的一些难点问题进行讨论分析。

1.实验基本原理及内容要求

1.1实验基本原理 

如图1，是测二极管正向特性的桥式补偿电路^[7]，其中E为稳压直流电源，S为开关，R₀和R₁为电阻箱（限流器），R₂为滑线变阻器（分压器），R_P为二极管，A为电流表，V为电压表，G为检流计。

通过各元件参数的设置调节，当检流计G的指针指零时，电压表V的指示值为二极管两端的正向电压值U_D，电流表A的指示值为流过二极管的正向电流。改变电阻箱R₀的阻值可改变正向电流值，改变R₁和R₂可输出不同的电压值，并由电压表指示。^[7]在实验调节过程中，R₂的阻值在电桥中分为上下两部分，为后面讨论所需，R₁的阻值加上R₂的上半部分阻值记为R₁^,，R₂的下半部分阻值记为R₂^,。

1.2实验内容和要求

在杨述武主编的《普通物理实验2:电磁学部分》（第四版）教材中，对桥式电路测二极管的正向伏安特性的实验内容和要求大致阐述如下：R_P

按照实验原理图（图1）连接线路，且预置R₀和R₁的值为所用电阻箱的最大值，同时将滑线变阻器R₂对二极管的输出调为零，同时注意电压表和电流表的正负极不能反接。闭合电路的开关，观察电路情况是否正常，如有异常，断开开关，对故障情况进行检查。“选择U_D值（0.1～0.6V），对于每种U_D值，调节R₀，使检流计指示为零，记下电流表的电流值。”^[7]

2.实验中的几个难点及对策

在杨述武主编的《普通物理实验2:电磁学部分》（第四版）教材中，对实验内容要求的阐述极为简单，而学生在实验操作过程中，很难测出较好的U_D～I_D图，特别是对于电路基础薄弱的学生，甚至一个数据都调节不出，下面将针对学生在实验操作过程中遇到的几个难点问题进行讨论分析。

2.1R₀和R₁取值的预置

本实验步骤中，在测量实验数据闭合电路的开关之前，要求预置R₀和R₁的值为所用电阻箱的最大值，并将滑线变阻器R₂对二极管R_P的输出调为零。关于这些电阻的预置，在实验操作过程中存在两个问题。

首先，实验所选取电源E的电压值不会很高（一般测正向特性时选取2V左右），而实验教材中要求预置R₀和R₁的值为所用电阻箱的最大值，若选取ZX21型直流多值十进电阻箱，其最大阻值99999.9欧，阻值较大，电路近似为短路，根本观察不到检流计G的指针有任何偏转情况。R₁的阻值较大时，还将影响滑线变阻器R₂对二极管R_P的输出调节效果。

再有，因所用电路为桥式电路，根据电桥平衡的条件，只有当R₂^,·R₀=R₁^,·R_p时，检流计G的指针才指向零，但是滑线变阻器R₂对二极管R_P的输出为零，即R₂^,值为零，无论如何也达不到电桥的平衡条件。

针对R₀和R₁的预置问题，结合多年教学实际情况，实验中调整为预置R₀的值在10000欧左右较为合适，预置R₁的值在1000欧左右较为合适。针对刚开始将滑线变阻器R₂对二极管R_P的输出调为零这个问题，虽然达不到电桥的平衡条件，检流计G的指针将有一个偏转，但仔细观察将发现，检流计G的偏转电流值与电流表A读数值近似相等，原因在于此时二极管尚未导通，二极管的等效阻值R_p近似为无穷大，该路径中的电流经R₀到电流表A，再到检流计G，流回电源负极。如果电流表A的精度和检流计G的精度相当，则此时检流计G的偏转电流值与电流表A读数值应该完全相等。

2.2电路调节

在教材中，对电路调节的步骤阐述为“对于每种U_D值，调节R₀，使检流计指示为零”。阐述的极为简单，在实验原理中也阐述的很简单模糊，对于电路基础薄弱的学生，根本不知道怎样去具体的调节，部分学生调节两个小时后一个数据都没有调节成功。

针对这个问题，须提前要求学生在预习的时候弄清电桥平衡的条件和调节方法。根据电桥平衡的条件，若检流计指示为零，需满足R₂^,·R₀=R₁^,·R_p，整个调节测量过程中，都需时刻注意电桥平衡的条件。各元件按照2.1中预置好初始值，在调节电路过程中（二极管导通后），如果不平衡，则检流计有偏转，根据检流计指针左右偏转情况，调节R₀的阻值。若检流计指针向右偏转，则增加R₀的阻值；若检流计指针向左偏转，则减小R₀的阻值。

2.3二极管正向伏安特性测量过程

2.3.1导通前

初始时，预置好各元件的初始值，滑线变阻器R₂对二极管R_p的输出为零，即R₂^,值为零，不能满足电桥平衡条件R₂^,·R₀=R₁^,·R_p，接通电源后，无论怎么调R₀的数值，检流计G都一定会有偏转。

针对这种情况，根据电路分析，搞清楚偏转原因、检流计中偏转电流与电流表A的读数大小关系、该电流的流向情况三个问题即可（见2.1中分析）。以2cp20型二极管为例，调节滑线变阻器R₂（分压器），逐渐增大R₂^,值，电压表V的读数（即U_D的值）也随之逐渐增大，U_D在0—0.2V之间时，电流表A的读数与检流计G的偏转情况基本不变。这个过程中，未达到二极管导通电压，二极管未导通，I_D记为0。

之后，再调节分压器R₂，继续逐渐增大R₂^,值，使U_D值在0.2V—0.4V间逐渐慢慢增大，发现电流表A的读数逐渐减小，检流计G的指针逐渐回偏，直至检流计G的偏转电流小于电流表A的读数时，此时二极管没有完全导通，仅是接近导通，流过二极管的电流极小（微安级的一个电流值），大小等于电流表A的读数减去检流计G的偏转示数。

2.3.2导通后

测量二极管的伏安特性曲线时，当二极管导通后，学生在测量中，往往会遇到这两个突出的问题：二极管伏安特性曲线上各个测量点的选取；调节U_D值时，怎样调节R₂和R₀的值使检流计G指零（即电桥平衡的调节）。

关于测量点的选取，一般在导通前只需象征性的测两三组数据即可，测量点的间隔可稍微大一些，导通前无电流通过，I_D为零，数据记录很简单；关键是导通后，测量点的间隔要尽量小一些，随着U_D的增大，I_D的增大趋势越来越显著，测量点的间隔也应随之越来越小，否则在绘制二极管的伏安特性曲线时，就不够平滑。

对于检流计G指零的调节，如果仅仅是测量单一个数据点，按照2.2节中的方法调节即可；而对于整条特性曲线的测量，可按照如下方法测量。

当U_D值达到0.4V后，继续调节分压器R₂，逐渐增大R₂^,值，当U_D值达到0.4V—0.5V之间的某一个值时，发现检流计G的指针指零，此时电桥平衡，而电流表A的读数减小到某一最小值（微安级的一个电流值），此时电流表A的读数为流过二极管的电流，数值仍然非常微小（微安级的一个电流值）。

在逐渐增大R₂^,的过程中，当检流计G的指针第一次指零之后，继续调节分压器R₂，继续逐渐增大R₂^,值，U_D也逐渐增大，此时检流计指针逐渐向左偏转，电桥不再平衡，根据电桥平衡条件，只需逐渐减小R₀的阻值即可找到平衡点。依次类推，逐渐增大R₂^,值，同时减小R₀的阻值，U_D随之逐渐增大。随着U_D的逐渐增大，流过二极管的电流I_D也逐渐增大，即可依次测量出所选定的测量点。

3.结论

“伏安法测二极管的特性”实验的难点在于R₀和R₁初始取值的预置、电路平衡的调节、测量点的选取和二极管导通前后的测量方法。实验中预置R₀的阻值在10000欧左右较为合适，预置R₁的阻值在1000欧左右较为合适。电路平衡的调节需注意平衡条件R₂^,·R₀=R₁^,·R_p，若检流计指针向右偏转，则增加R₀的阻值；若检流计指针向左偏转，则减小R₀的阻值。测量点的选取，在导通前测量点的间隔可稍微大一些，导通后测量点的间隔要尽量小一些，随着U_D的增大，I_D的增大趋势越来越显著，测量点的间隔也应随之越来越小，确保在绘制二极管的伏安特性曲线时足够平滑。在测量二极管正向伏安特性的过程中，导通前，只需缓慢调节分压器R₂，逐渐增大R₂^,值，使U_D逐渐增大；导通后，仍需缓慢调节分压器R₂，使R₂^,的阻值逐渐增大，同时应调小R₀的阻值，以保证电桥平衡（即检流计指针指零），在此过程中U_D逐渐增大，流过二极管的电流I_D也逐渐增大，可在不同点测出一系列的U_D～I_D，完成二极管伏安特性曲线的测量。

参考文献：

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[4]张明铎.稳压管伏安特性测量中电表的正确接法[J].大学物理实验,2016,(2):67-70.

[5]杨贵荣,喻秋山,邱学云等.如何引导学生做好综合设计性物理实验：以二极管伏安特性曲线测量实验为例[J].文山学院学报,2010,(2):101-103.

[6]刘家菊,洪炜宁,钱良存.用示波器测二极管的伏安特性[J].赤峰学院学报(自然科学版),2014,(2):1-2.

[7]杨述武,赵立竹,沈国土等.普通物理实验2:电磁学部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社, 2007:44-46.

作者简介：杨勇（1980～），男，河南信阳人，安顺学院数理学院副教授，硕士，研究方向：粒子物理。