Engineering Notebook // Build Log

2026.03.30

17:03:53

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EEE109 Lab 1: Diodes — 实验总结与答辩预测

目录实验总览实验总览 Section 1：二极管 DC 特性 section 1二极管 dc 特性 Section 2：半波整流器 section 2半波整流器 Section 3：全波整流器（仿真） section 3全波整流器仿真 Section 4：齐纳二极管与稳压 section 4齐纳二极管与稳压 Section 5：综合设计——3V 直流稳压电源 section 5综合设计3v 直流稳压电源老师可能问的问题（中英双语）…

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实验总览

Section	内容	核心目标
1	二极管 I-V 特性测量	理解正偏导通、反偏截止
2	半波整流电路	观察 AC→DC 转换（仅正半周）
3	全波桥式整流（仿真）	理解四个二极管如何利用正负半周
4	齐纳二极管特性与稳压	理解反向击穿稳压原理
5	设计 3V 直流稳压电源	整流 + 稳压 + 分压综合应用

使用元件一览

元件	型号/值	用途
硅二极管	1N4001	整流、I-V 测量
齐纳二极管	1N4735（ $V_Z \approx 5.1V$ ）	稳压
电阻	47Ω, 1kΩ, 1MΩ	限流/负载
电位器	1kΩ, 10kΩ	调压/可变负载
LED	红色	可视化半波整流

Section 1：二极管 DC 特性

1.1 I-V 特性曲线（IV Analyzer）

操作：用 NI ELVIS III 的 IV Analyzer 自动扫描

正偏：0V → 0.7V，步进 0.05V
反偏：-10V → 0.7V，步进 0.1V

预期结果：

I (mA)
  │         ╱
  │        ╱  ← 正偏导通区（指数增长）
  │       ╱
  │      ╱
  │─────╱────────── V (V)
  │  0.7V（导通电压）
  │←反偏→│
  (几乎为零的反向漏电流)

关键知识点：

硅二极管导通电压 ≈ 0.7V
正偏时电流随电压指数增长： $I = I_S(e^{V/nV_T} - 1)$
反偏时仅有极小的反向饱和电流（ $\mu A$ 级别）

1.2 手动测量

电路：VPS → 1kΩ 电位器 → 47Ω 电阻 → 1N4001 → GND

设置 VPS = 1.1V
调节电位器使 $V_S$ 从 0V 到 1V（0.1V 步进）
分别记录二极管两端电压 $V_D$ 和电流 $I$

1.3 反向特性测量

关键改变：电阻换为 1MΩ，二极管反接，VPS = 10V

🔑 为什么用 1MΩ？ 反偏时二极管电阻极高，漏电流极小（μA 级），需要大电阻来：

保护电路不过流

使极小的电流产生可测量的电压降

Section 2：半波整流器

2.1 LED 半波整流

电路：FGEN（正弦波）→ LED → 1kΩ → GND

设置：0.5Hz，10Vpp 正弦波

现象：LED 闪烁——仅在正弦波正半周导通发光，负半周截止

2.2 硅二极管半波整流

电路：FGEN → 1N4001 → 1kΩ → GND

示波器观察：

输入 (CH1):          输出 (CH2):
   ╱╲                   ╱╲
  ╱  ╲                 ╱  ╲
─╱────╲──────    ─────╱────╲──────
       ╲  ╱                (负半周被截断)
        ╲╱

关键点：

输出只有正半周，负半周被"剪掉"
输出峰值 = 输入峰值 - 0.7V（二极管压降）
这就是最基本的 AC→DC 转换

Section 3：全波整流器（仿真）

桥式整流工作原理

使用 Multisim Live 仿真，4 个二极管组成整流桥：

        D1          D3
  AC ──┤►├──┬──┤►├── AC
             │
            R_L (负载)
             │
  AC ──┤◄├──┴──┤◄├── AC
        D2          D4

正半周电流路径

AC(+) → D1 → R_L(上→下) → D2 → AC(-)

负半周电流路径

AC(-变+) → D3 → R_L(上→下，方向不变!) → D4 → AC(+变-)

核心原理：无论输入极性如何，电流始终同方向流过负载 → 正负半周都被利用

输出波形：

输入:        输出:
  ╱╲          ╱╲  ╱╲  ╱╲
 ╱  ╲        ╱  ╲╱  ╲╱  ╲
╱────╲──    ╱─────────────╱
     ╲╱     (负半周被翻转为正)

全波 vs 半波：

全波效率更高（利用了全部输入能量）
全波输出纹波频率 = 2 × 输入频率
全波更容易滤波平滑

Section 4：齐纳二极管与稳压

4.1 齐纳 I-V 特性

IV Analyzer 设置：-6V → 0.7V，步进 0.25V

预期 I-V 曲线：

I (mA)
  │         ╱  正偏（同普通二极管）
  │        ╱
  │───────╱────── V
  │      ╱
  │     │  ← 击穿点 V_Z ≈ 5.1V
  │     │    （电流急剧增大但电压几乎不变）
  │    ╱
 -V_Z

关键：1N4735 齐纳二极管 $V_Z \approx 4.7\sim5.1V$

4.2 齐纳稳压电路

电路：VPS → $R_1$ (1kΩ) → 齐纳二极管(反接) ∥ 负载(10kΩ 电位器)

工作原理：

V_in ──[R_1]──┬── V_out
               │
          [Zener] ∥ [R_Load]
               │
              GND

当 $V_{in}$ 增大 → 齐纳进入击穿区 → $V_{out}$ 被钳位在 $V_Z$
多余的电流通过齐纳泄放，不会传到负载
改变负载（2kΩ → 10kΩ）→ $V_{out}$ 保持稳定 ≈ $V_Z$

稳压条件：

齐纳必须处于反向击穿区
$R_1$ 的选择要保证齐纳有足够电流维持击穿

Section 5：综合设计——3V 直流稳压电源

设计目标

输入：14/16/18/20 Vpp，50Hz 正弦波 → 输出：稳定 3V DC

设计方案

AC 输入 → [桥式整流] → [滤波电容] → [齐纳稳压] → [分压器] → 3V DC 输出
4×1N4001      (若有)        1N4735       电位器

各级功能：

级	功能	说明
桥式整流	AC → 脉动 DC	4 个 1N4001，利用正负半周
滤波	平滑脉动	电容充放电减小纹波
齐纳稳压	钳位至 ~5.1V	1N4735 反向击穿稳压
分压/采样	5.1V → 3V	电位器调节到目标电压

分压计算：

V_{out} = V_Z \times \frac{R_2}{R_1 + R_2} = 3V

若用 10kΩ 电位器，调节使 $R_2/(R_1+R_2) = 3/5.1 \approx 0.588$

老师可能问的问题（中英双语）

Q1: 硅二极管的导通电压是多少？为什么？

EN: The turn-on (knee) voltage of a silicon diode is approximately 0.7V. This is because silicon has a bandgap energy of about 1.12 eV, and the built-in potential of the PN junction requires roughly 0.6–0.7V to overcome the depletion region barrier and allow significant forward current to flow.

中文： 硅二极管的导通电压约为 0.7V。这是因为硅的带隙能量约为 1.12eV，PN 结的内建电位需要大约 0.6-0.7V 才能克服耗尽区势垒，使正向电流显著流过。

Q2: 反向测量时为什么要把 47Ω 换成 1MΩ？

EN: In reverse bias, the diode acts as a near-open circuit with only a tiny leakage current (in the μA range). A 1MΩ resistor is used to: (1) limit current and protect the circuit, and (2) create a measurable voltage drop ( $V = IR$ ) across the resistor even with very small currents. With a 47Ω resistor, the voltage drop from μA-level current would be too small to measure.

中文： 反偏时，二极管近似开路，只有极小的漏电流（μA 级别）。使用 1MΩ 电阻是为了：(1) 限流保护电路；(2) 即使电流极小，也能在电阻上产生可测量的电压降（ $V=IR$ ）。如果用 47Ω，μA 级电流产生的压降太小，无法测量。

Q3: 半波整流器的输出峰值电压是多少？为什么不等于输入峰值？

EN: The output peak voltage = Input peak voltage − 0.7V (the diode forward voltage drop). For a 10Vpp input (5V peak), the output peak is approximately 4.3V. The diode consumes 0.7V to maintain forward conduction — this energy is dissipated as heat in the diode.

中文： 输出峰值电压 = 输入峰值 − 0.7V（二极管正向压降）。对于 10Vpp（峰值 5V）输入，输出峰值约为 4.3V。二极管需要消耗 0.7V 来维持正向导通，这部分能量以热量形式耗散在二极管中。

Q4: 全波整流比半波整流好在哪里？

EN: Full-wave rectification has three advantages: (1) Higher efficiency — it uses both positive and negative half-cycles, so no input energy is wasted; (2) Double the ripple frequency — the output ripple is at 2× the input frequency (100Hz for 50Hz input), making it much easier to filter with a smaller capacitor; (3) Higher average DC output voltage — $V_{avg} = 2V_p/\pi$ vs. $V_p/\pi$ for half-wave.

中文： 全波整流有三个优势：(1) 效率更高——利用了正负两个半周，不浪费输入能量；(2) 纹波频率翻倍——输出纹波为输入频率的 2 倍（50Hz 输入 → 100Hz 纹波），更容易用小电容滤波；(3) 平均直流输出更高—— $V_{avg} = 2V_p/\pi$ ，而半波只有 $V_p/\pi$ 。

Q5: 齐纳二极管和普通二极管有什么区别？

EN: Both have similar forward-bias behavior (~0.7V turn-on). The key difference is in reverse bias: a normal diode blocks current until a very high (destructive) breakdown voltage; a Zener diode is specifically engineered to break down at a precise, low voltage ( $V_Z$ , e.g., 5.1V for 1N4735) and can safely operate in this region. This controlled breakdown is used for voltage regulation.

中文： 两者正偏特性相似（~0.7V 导通）。关键区别在反偏：普通二极管在极高电压下才会击穿（会损坏）；齐纳二极管被专门设计在精确的低电压（ $V_Z$ ，如 1N4735 的 5.1V）处击穿，并能安全工作在该区域。这种可控击穿用于稳压。

Q6: 齐纳稳压电路中，串联电阻 $R_1$ 的作用是什么？

EN: The series resistor $R_1$ serves two critical purposes: (1) Current limiting — it prevents excessive current through the Zener diode, which would overheat and destroy it; (2) Voltage dropping — it absorbs the difference between the input voltage and the Zener voltage ( $V_{R1} = V_{in} - V_Z$ ), allowing the Zener to maintain a stable voltage across the load. Without $R_1$ , the Zener would be directly across the supply and would burn out.

中文： 串联电阻 $R_1$ 有两个关键作用：(1) 限流——防止过大电流流过齐纳管导致过热烧毁；(2) 分压——承担输入电压与齐纳电压之差（ $V_{R1} = V_{in} - V_Z$ ），使齐纳管能在负载两端维持稳定电压。没有 $R_1$ ，齐纳管直接接电源会烧毁。

Q7: 如果负载电阻变得很小会怎样？稳压还能工作吗？

EN: If the load resistance becomes too small, it draws too much current. The current through $R_1$ increases, causing a larger voltage drop across $R_1$ . Eventually, the voltage across the Zener drops below $V_Z$ , and the Zener exits its breakdown region — regulation is lost. The minimum load resistance for regulation is: $R_{L(min)} = \frac{V_Z \cdot R_1}{V_{in} - V_Z}$ .

中文： 如果负载电阻太小，会抽取过多电流。 $R_1$ 上的电流增大，压降增大，最终齐纳管两端电压降到 $V_Z$ 以下，齐纳退出击穿区——稳压失效。维持稳压的最小负载电阻为： $R_{L(min)} = \frac{V_Z \cdot R_1}{V_{in} - V_Z}$ 。

Q8: 你的设计中如何从 5.1V 齐纳稳压得到 3V 输出？

EN: I use a voltage divider (potentiometer) across the Zener output. By adjusting the potentiometer so that $R_2/(R_1+R_2) = 3/5.1 ≈ 0.588$ , the output taps 3V from the stable 5.1V Zener voltage. The potentiometer allows fine-tuning to exactly 3.0V.

中文： 我在齐纳输出端使用分压器（电位器）。调节电位器使 $R_2/(R_1+R_2) = 3/5.1 ≈ 0.588$ ，即可从稳定的 5.1V 齐纳电压中取出 3V。电位器可以精细调节到恰好 3.0V。

Q9: 桥式整流器的输出电压损失是多少？为什么？

EN: The output loses 2 × 0.7V = 1.4V from the input peak. This is because at any given moment, current flows through two diodes in series (one on the upper path and one on the lower path), and each diode drops 0.7V. So for a 20Vpp (10V peak) input, the output peak is approximately 8.6V.

中文： 输出比输入峰值损失 2 × 0.7V = 1.4V。因为在任何时刻，电流都经过两个串联的二极管（上路一个，下路一个），每个二极管压降 0.7V。所以 20Vpp（峰值 10V）输入，输出峰值约为 8.6V。

Q10: 实验中 IV 曲线和手动测量的结果有什么不同？为什么？

EN: The IV Analyzer gives a smooth, continuous curve, while manual measurement gives discrete data points that may not perfectly align. Differences arise from: (1) Measurement error — manual readings of voltage/current have limited precision; (2) Self-heating — during slow manual measurements, the diode heats up slightly, shifting its characteristics; (3) Contact resistance — breadboard connections introduce small parasitic resistances not present in the IV Analyzer's probe setup.

中文： IV Analyzer 给出平滑连续的曲线，手动测量则得到离散数据点，可能不完全吻合。差异来自：(1) 测量误差——手动读数精度有限；(2) 自热效应——缓慢的手动测量过程中二极管轻微发热，特性偏移；(3) 接触电阻——面包板连接引入微小寄生电阻，IV Analyzer 探针则没有。

Q11: 为什么 LED 在半波整流实验中会闪烁而不是常亮？

EN: The input signal is set to 0.5Hz (one cycle every 2 seconds). The LED only conducts during the positive half-cycle (1 second on, 1 second off), so it visibly blinks. At higher frequencies (e.g., 50Hz), the LED would appear constantly on due to persistence of vision — the human eye cannot perceive the 50 on/off cycles per second.

中文： 输入信号频率为 0.5Hz（每 2 秒一个周期）。LED 仅在正半周导通（亮 1 秒，灭 1 秒），所以可见地闪烁。在更高频率（如 50Hz）下，由于视觉暂留效应，人眼无法分辨每秒 50 次的开关，LED 看起来会常亮。

Q12: 二极管的功率怎么算？最大功率出现在哪里？

EN: Power dissipated by the diode: $P = V_D \times I_D$ . Maximum power occurs at the highest current point in the experiment — typically when $V_S = 1.0V$ in the manual measurement, giving the largest $I_D$ with $V_D ≈ 0.7V$ . For example, if $I_D = 0.6mA$ at $V_D = 0.7V$ , then $P = 0.7 \times 0.6 = 0.42mW$ .

中文： 二极管功耗： $P = V_D \times I_D$ 。最大功率出现在实验中电流最大时——通常是手动测量中 $V_S = 1.0V$ 时，此时 $I_D$ 最大， $V_D \approx 0.7V$ 。例如，若 $I_D = 0.6mA$ ， $V_D = 0.7V$ ，则 $P = 0.7 \times 0.6 = 0.42mW$ 。

Q13: 为什么设计中要选择桥式整流而不是半波整流？

EN: For a regulated 3V DC supply, I need sufficient DC headroom above the Zener voltage (5.1V). A half-wave rectifier wastes half the input and has worse ripple. A bridge rectifier provides a higher average voltage, lower ripple (easier filtering), and works reliably across all four input amplitudes (14–20Vpp). It ensures the filtered DC always exceeds 5.1V so the Zener can regulate properly.

中文： 要实现 3V 稳压输出，我需要足够高于齐纳电压（5.1V）的直流余量。半波整流浪费一半输入且纹波更差。桥式整流提供更高的平均电压、更低的纹波（更容易滤波），在所有四种输入幅度（14-20Vpp）下都能可靠工作，确保滤波后的直流始终超过 5.1V 让齐纳正常稳压。

Q14: 什么是纹波？如何减小纹波？

EN: Ripple is the residual AC variation superimposed on the DC output after rectification. It represents imperfect AC-to-DC conversion. To reduce ripple: (1) Add a filter capacitor in parallel with the load — it charges during peaks and discharges during valleys, smoothing the output; (2) Use full-wave rectification — doubles ripple frequency, making filtering easier; (3) Use a voltage regulator (like a Zener circuit) to clamp the output.

中文： 纹波是整流后叠加在直流输出上的残余交流波动，代表不完美的 AC→DC 转换。减小纹波的方法：(1) 在负载并联滤波电容——峰值时充电、谷值时放电，平滑输出；(2) 使用全波整流——纹波频率翻倍，更容易滤波；(3) 使用稳压器（如齐纳电路）钳位输出。

考前快速回顾清单 ✅

#	知识点	确认
1	硅二极管导通电压 ≈ 0.7V	☐
2	反偏时用 1MΩ（限流 + 可测量）	☐
3	半波整流：仅正半周，输出损失 0.7V	☐
4	全波桥式整流：两个二极管串联，损失 1.4V	☐
5	全波纹波频率 = 2 × 输入频率	☐
6	齐纳二极管：设计在反向击穿区稳压	☐
7	1N4735 的 $V_Z ≈ 5.1V$	☐
8	串联电阻 $R_1$ ：限流 + 分压	☐
9	负载太小 → 齐纳退出击穿区 → 稳压失效	☐
10	$P = V_D \times I_D$ 求二极管功耗	☐
11	分压器公式： $V_{out} = V_Z \times R_2/(R_1+R_2)$	☐
12	LED 闪烁因为 0.5Hz，50Hz 会常亮（视觉暂留）	☐