指針式萬用表測試二極管檔位選擇探討

程院蓮

（廣州番禺職業技術學院機械與電子系，廣東廣州 511483）

0 引言

半導體二極管是電子產品中的重要元器件，通常可用指針式萬用表歐姆檔判斷其極性，并可以初略判斷二極管是否損壞。目前教科書及相關資料中都采用歐姆檔R×1k或R×10k來測量其正向、反向電阻，測量誤差較大。本文從指針式萬用表歐姆檔的工作原理和半導體二極管的特性著手，闡明測量二極管等半導體器件應該使用指針式萬用表的R×1 和R×10k 檔，以獲得更高的測量精度。

1 指針式萬用表歐姆檔工作原理

圖1 是指針式萬用表置于歐姆檔的原理圖，其中電阻RX功率是15 W，電感L是驅動萬用表指針偏轉的表頭，滿度偏轉電流是50 μA，L的內阻是1 kΩ（表頭電阻），R 是表頭串聯可變電阻（歐姆檔零點調整），表內電池1.5 V，紅表筆接電池負極，黑表筆接正極[1]。

圖2是指針式萬用表紅、黑表筆連接后的等效原理圖。由圖2 可得出，紅、黑表筆相連，1.5 V電池和電阻RX組成一個回路，電流由電池的正極流出，經過電阻RX及紅、黑表筆，流入1.5 V 電池的負極。根據歐姆定律，可以得出電流Ia為0.1 A（Ia=U÷R=1.5V÷15 Ω=0.1 A），Ia也是流過紅、黑表筆間的電流，電阻RX上的壓降URX為1.5 V（U·RX=0.1A×15 Ω=1.5 V），電池內阻極小，忽略不計。萬用表歐姆檔的紅、黑表筆連接，則表指針應由表盤上∞（無窮大位置），向右偏轉指向0 W（歐姆）位置，表頭的電流即為偏轉滿度電流50 μA，此時，L和R的總串聯電阻為30 k Ω（1.5 V÷50 μA），那么R 此時的電阻值是29 k Ω。考慮到電池的誤差因素，R 一般選可變電阻，紅、黑表筆連接時，調整R（歐姆調零電位器）至指針正好指示為零（偏轉90度）。

圖1 指針式萬用表置于歐姆檔的原理圖

圖2 紅、黑表筆連接后的等效原理圖

若測量一只功率為15 W的電阻，此時的等效電路如圖3 所示，根據歐姆定律可以計算出電路中的電流Ia1是0.05 A（Ia=U÷R=1.5V÷（RX+RZ）=1.5V÷30 Ω=0.05 A），電阻RX上的壓降UR為0.75 V（URX=Ia×RX=0.05A×15 Ω=0.75 V），此時，表頭回路的電流Ib1是25Ua（Ib=URX÷（R+1000 Ω）=0.75V÷（29 k Ω+1000 Ω）=25 μA）。由于表頭的滿度電流是50 μA（偏轉90 度），那么25 μA 電流流過表頭，表頭正好偏轉滿度的一半（45 度），指針指示在萬用表刻度的中間位置，這個萬用表歐姆檔的中心刻度就是15 Ω。

圖3 測量一只15 Ω 的電阻的等效電路圖

如把圖1 中的RX值改成150 Ω，那么只有當被測電阻RZ是150 Ω 時，表針才會偏轉到中心刻度位置，這樣在表盤上，測量電阻的阻值分辨率清晰的范圍就改變成為阻值較高的一端范圍了，此時中心刻度為150 Ω，為15 Ω 的100 倍，那么分別把RX換成150 Ω、1.5 k Ω、15 k Ω、150 k Ω，相應的中心刻度也隨RX阻值的變換而變換，測量電阻阻值的范圍也就不斷向高阻值擴展了，從而有R×1、R×10、R×100、R×1k、R×10k倍率的測量檔位了。檔位以10倍率向上擴展，主要是表盤刻度的指示數值讀取方便（刻度乘10倍率，讀取阻值數比較簡單方便）。圖4就是指示式萬用表歐姆檔設置倍率變換的原理圖。在R×10k 倍率檔位，由于此時限流電阻RX的阻值為150 k Ω，如果電池電壓仍然為1.5 V，這樣當表筆連接進行零點校正時，電流Ia為1.5V÷150 k Ω=10 μA，這顯然不能使表頭產生滿度偏轉，此時解決的辦法就是采用高電壓池供電，目前一般的萬用表歐姆檔R×10k 倍率檔采用1.5 V 電池再串聯一只9 V 電池（10.5 V）來完成R×10k 倍率檔指針的滿度偏轉，電池的連接時由轉換開關完成[2]。

圖4 指示式萬用表歐姆檔設置倍率變換的原理圖

2 歐姆檔測量PN結的正反向電阻

2.1 PN結的正向導通電阻測量

若在PN結上加正向電壓，即電源的正極接P區，負極接N 區，也稱為正向偏置。此時外加電壓在PN結中產生的外電場和內電場方向相反，內電場被消弱，多數載流子的擴散運動增強，形式較大的擴散電流，PN結處于導通狀態。在一定范圍內，外電場愈強，正向電流愈大，PN結呈現的電阻很低，一般常用的普通硅二極管的正向導通電阻為十幾歐姆至二十幾歐姆，如果阻值過大（大于四十至五十歐姆），此管則損壞，不可再用。

PN結正向導通電阻的測量需要有在提供較大電流的情況下，測量其導通電阻越小越好，這樣要求所選用的萬用表歐姆檔中心刻度越小越好。在R×1 檔時，因為中心刻度越小，表筆間流過的電流越大，符合二極管正常工作時的狀態。如同一型號的二極管，用R×1 檔測量，其讀數基本一樣，如果阻值偏差較大，大于正常管5～10 Ω，則此管PN 結也有問題，一般不能使用，此時如果用R×10、R×100、R×1k、R×10k 檔測量，其讀數都為0 Ω ，無法判斷其正向導通性能的優劣。

2.2 PN結的反向漏電測量

若在PN結上加反向電壓，即電源的負極接P區，正極接N 區，也稱為反向偏置。此時外加電壓在PN結中產生的外電場和內電場方向一致，內電場被加強，結果阻止了多數載流子的擴散，無法形成擴散電流，PN結處于截止狀態。在一定范圍內，外電場愈強，阻擋電流流過的能力越強。反向偏置時，呈截止狀態，PN結呈現的電阻極高或為無窮大，一般常用的普通硅二極管的反向電阻為：無窮大，指針不能有偏轉指示，如果指針有偏轉指示，表示有阻值，此管漏電，根據阻值的大小，可判斷漏電的程度，也不可再用，如果指針指示為零，則此管擊穿，完全損壞。

PN結反向特性的測量需要有在提供較高反向電壓的情況下，測量其漏電流，測量其反向截止電阻為無窮大。這樣選用萬用表歐姆檔R×10k 檔合適，因為R×10k 檔內部是1.5 V 和9 V 電池串聯應用，表筆間開路電壓是10.5 V，比其他檔位的1.5 V 電壓高，加到PN 結上，只要反向有一點輕微的漏電都可以檢測出來。

3 結論

萬用表判斷二極管、三極管等半導體器件，只能用萬用表的R×1 和R×10k 檔，其它檔位都是不精確的，對于一些輕微漏電、正向特性變差的元器件尤為重要。用R×1 測量正向導通電阻；用R×10k 測量反向是否有漏電。用R×10、R×100、R×1k、這三檔測量不出輕微的正向阻值變大和反向輕微漏電的，只能判斷短路和開路的晶體管器件，對于輕微的正向阻值變大和反向輕微漏電的PN結，就無法作出正確判斷。

［1］郭旺.萬用表歐姆檔的內部結構［J］.物理教學探討，2009，27（343）：35-36.

［2］韓雪濤.電子儀表應用技術與技能實訓教程［M］.北京：電子工業出版社，2006.