ELEMENTY ELEKTRONICZNE. Układy polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEMENTY ELEKTRONICZNE TS1C Układy polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora BIAŁYSTOK 2013

2 UKŁADY POLARYZACJI I STABILIZACJI PUNKTU PRACY TRANZYSTORÓW 1. WSTĘP Tematem ćwiczenia są podstawowe zagadnienia polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystorów bipolarnych. Na wstępie ćwiczenia dokonuje się pomiarów niektórych parametrów tranzystora (β 0, U BE ) oraz ich zależności od temperatury. Wyniki tych pomiarów wykorzystuje się do samodzielnego obliczenia trzech następujących układów polaryzacji tranzystora badanego: z zasilaniem stałym prądem bazy, z ujemnym sprzężeniem zwrotnym prądowym-szeregowym, reprezentujący grupę układów wykorzystujących do polaryzacji ujemne sprzężenie zwrotne, z zasilaniem stałym prądem emitera. Po samodzielnym zmontowaniu układów polaryzacji bada się i porównuje ich właściwości. Ponadto, w ostatniej części ćwiczenia, badany jest układ skompensowanego termicznie źródła prądowego. Celem ćwiczenia jest przedstawienie podstawowych idei polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora pracującego w układzie wzmacniacza - a więc stabilizacji za pomocą sprzężenia zwrotnego, źródeł prądowych oraz kompensacji cieplnej. Drugim celem ćwiczenia jest ugruntowanie umiejętności obliczania układów polaryzacji tranzystorów bipolarnych. 2. OPIS TECHNICZNY UKŁADÓW BADANYCH 2.1 Układy polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora bipolarnego (wkładka DA021A) Schemat ideowy wkładki DA021A przedstawiono na rys.2. Tranzystor badany T 1 jest jednym z pięciu identycznych tranzystorów układu scalonego UL1111(rys.1). We wkładce DA021A znajdują się dwa układy pomiarowe. W pierwszym z nich można dokonać pomiaru statycznego, zwarciowego wzmocnienia prądowego β 0 tranzystora badanego - oraz pomiaru napięcia baza-emiter U BE. Rys.1. Schemat układu scalonego UL1111 (widok z góry). 2

3 Rys.2. Schemat ideowy wkładki DA021A. W drugim układzie można zrealizować, wymienione we wstępie, trzy układy polaryzacji tranzystora badanego T 1. Tranzystor ten może być przełączany za pomocą przełącznika "T, P" umieszczonego na płycie czołowej wkładki, albo do układu pomiaru parametrów (wciśnięcie klawisza "T") albo do układu, w którym można realizować polaryzację tego tranzystora (wciśnięcie klawisza "P"). 3

4 Rys.3. Płyty czołowe wkładek DA021A i DA021B. Rys.4. Uproszczony schemat ideowy układu do pomiarów parametrów tranzystora (wkładka DA021A, wciśnięty klawisz T ). 4

5 W układzie z rys. 2 wyjaśnienia wymaga rola kondensatora C 1, diody D 1 oraz wzmacniacza operacyjnego µa741 (US2). Kondensator C 1 jest źródłem polaryzującym bazę tranzystora T 6 w momencie przełączania napięcia U C i nie dopuszcza do wyłączenia tego tranzystora. Przez diodę D 1 płynie prąd wyjściowy źródła prądowego T 7 w czasie kiedy emiter tranzystora T 1 jest odłączony od tego źródła (klawisz "T" zwolniony). Wzmacniacz operacyjny µa741 (US2) utrzymuje potencjał emitera tranzystora T 1 na poziomie bliskim 0V oraz polaryzuje bazę tranzystora T 1 prądem płynącym przez rezystor R I. Płytę czołową wkładki DA021A pokazano na rys. 3. Układ do pomiaru parametrów tranzystora T 1 - którego uproszczony schemat przedstawiono na rys. 4 - umożliwia: a) wymuszenie napięcia na kolektorze tranzystora T 1 - równego 2.5V, 5V lub 7.5V - za pomocą źródła napięcia stałego (T 6 ) regulowanego skokowo przełącznikiem "V C ", znajdującym się na płycie czołowej wkładki. Napięcie U C jest w przybliżeniu równe napięciu U CE, ponieważ potencjał emitera tranzystora T 1 jest prawie równy zeru. Wynika to z zasady działania układu pomiarowego ze wzmacniaczem operacyjnym; b) wymuszenie stałego prądu emitera tranzystora T 1 - równego 0.3mA, 1mA lub 3mA - za pomocą źródła prądowego (T 7 ), regulowanego skokowo przełącznikiem "I E ". Napięcie U BE tranzystora T 1 mierzone jest w omawianym układzie bezpośrednio, w węźle oznaczonym B (U BE U B ). Prąd bazy natomiast określa się pośrednio, wykorzystując do obliczeń wyniki pomiarów napięć w węzłach B i R I. Znając wartość prądów bazy i kolektora można obliczyć współczynnik β 0. Pomiary wykonuje się przy różnych temperaturach tranzystora T 1. Do kontrolowanego podgrzania płytki krzemowej układu scalonego UL1111 służą tranzystory T 4 i T 5 współpracujące z układem sterowania temperaturą (wkładka SA9011). Tranzystor T 5 pracuje jako grzejnik i jest połączony z gniazdem "H" na płycie czołowej. Tranzystor Rys.5. Uproszczony schemat ideowy układu umożliwiającego zrealizowanie i badanie różnych układów polaryzacji tranzystora T 1 (wkładka DA021A, wciśnięty klawisz P ). 5

6 Rys.6. Schematy ideowe badanych u- kładów polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora bipolarnego. T 4 jest czujnikiem temperatury i jest połączony z gniazdem "S". Wciśnięcie klawisza "P" przełącza badany tranzystor do drugiej części układu, przedstawionej w uproszczeniu na rys. 5, która umożliwia zrealizowanie różnych układów polaryzacji tranzystora (rys. 6), uprzednio projektowanych wg założeń podanych w p.2.4. Do zacisków na płytce drukowanej podłącza się rezystory o wartościach samodzielnie obliczonych. W tej części układu badanego można mierzyć natężenie prądu kolektora tranzystora T 1 (poprzez pomiar spadku napięcia na rezystorze R 10 ) oraz napięcia kolektora i emitera, w różnych układach polaryzacji i dla różnych temperatur tranzystora T 1. Schemat montażowy płytki drukowanej, pokazujący rozmieszczenie zacisków i przełączników suwakowych (w widoku od strony elementów), przedstawiono na rys. 7. Rys.7. Uproszczony schemat montażowy płytki drukowanej wkładki DA021A (widok od strony elementów). 2.2 Źródło prądowe (wkładka DA021B) Wkładka DA0213 zawiera układ skompensowanego termicznie źródła prądowego z układem scalonym UL

7 Rys.8. Schemat ideowy skompensowanego termicznie źródła prądowego (wkładka DA021B). Schemat ideowy źródła przedstawiono na rys. 8. Prąd wyjściowy źródła płynie przez rezystory R 3 i R 4 symulujące obciążenie. Natężenie tego prądu można obliczyć wykorzystując wynik pomiaru spadku napięcia na rezystorze R 3. Tranzystory T 4 i T 5 pełnią identyczne role jak tranzystory o tych samych oznaczeniach we wkładce DA021A. Płytę czołową wkładki DA021B pokazano na rys WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomocnicze: przełącznik czterokanałowy dc (wkładka SA4022) układ sterowania temperaturą (wkładka SA9011) 4. OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE Obliczenia wstępne dotyczą niektórych elementów układów polaryzacji montowanych w zaciskach wkładki DA021A. Należy wybrać punkt pracy tranzystora T 1, taki, aby można go było zrealizować w układzie do pomiarów I B i U BE. Następnie tak zaprojektować badane układy polaryzacji, aby we wszystkich trzech otrzymać wybrany punkt pracy tranzystora T 1. Należy pamiętać, że kolektor tranzystora badanego nie może być na potencjale niższym niż podłoże układu scalonego (0 V). Przed ćwiczeniem należy przeprowadzić te obliczenia, które nie wymagają znajomości wartości wzmocnienia prądowego i napięcia baza-emiter tranzystora T 1 w wybranym punkcie pracy. Pozostałe - przeprowadzić w trakcie ćwiczenia. 7

8 5. OBSERWACJE I POMIARY 5.1 Pomiary zależności wybranych parametrów tranzystora od temperatury (wkładka DA021A) Po wciśnięciu klawisza "T" na płycie czołowej wkładki DA021A badany tranzystor T 1 jest przełączony do układu z rys. 4. W układzie tym należy zmierzyć zależności β 0 (T) (pośrednio) i U BE (T) w wybranym uprzednio punkcie pracy tranzystora T 1, w zakresie temperatur od 30 C do 90 C. Do sterowania temperaturą układu scalonego UL1111 należy użyć wkładki SA9011. Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys.9. Rys.9. Schemat połączeń układu do pomiarów parametrów tranzystora. 5.2 Pomiar stałości punktu pracy tranzystora w różnych układach polaryzacji Dokończyć obliczenia wartości rezystorów montowanych do układów polaryzacji tranzystora badanego, wykorzystując znane obecnie wartości β 0 i U BE. Następnie należy: a) zmontować układ z zasilaniem stałym prądem bazy i sprawdzić (oraz ewentualnie skorygować), w temperaturze 30 C, otrzymany punkt pracy tranzystora T 1. Zmierzyć i narysować zależności I C (T) oraz U CE (T): b) zmontować układ z rezystorem emiterowym i sprawdzić (ewentualnie skorygować) punkt pracy tranzystora T 1. Zmierzyć i narysować zależności I C (T) oraz U CE (T); 8

9 c) w przypadku układu ze źródłem prądowym, zrealizowanym w ćwiczeniu jako wtórnik prądowy (zwierciadło, lustro prądowe), należy najpierw obliczyć Rys.10. Schemat połączeń układu pomiarowego do badania układów polaryzacji tranzystora. nowe wartości rezystorów R B i R C, ozn. R B' i R C' na rys. 6, ponieważ emiter tranzystora T 1 nie będzie na potencjale masy (0V). Następnie należy zmontować układ, sprawdzić (ewentualnie skorygować) punkt pracy tranzystora oraz zmierzyć i narysować zależności I C (T) i U CE (T). Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys. 10. Zagadnienia: a) dla układu z zasilaniem stałym prądem bazy - oszacować jaka część przyrostu prądu kolektora spowodowana jest zmianą napięcia U BE, a jaka zmianą β 0 ; b) wykazać podobieństwa i różnice między dwoma układami stabilizacji punktu pracy tranzystora: z rezystorem emiterowym i źródłem prądowym; c) wyjaśnić otrzymane zależności U CE (T). 5.3 Pomiary źródła prądowego wkładka (DA021B) Zmierzyć zależność prądu wyjściowego źródła od temperatury I C (T). Zagadnienia: a) wyjaśnić jakościowo, jak zmieniłaby się zależność prądu wyjściowego źródła od temperatury, gdyby w miejsce dwóch diod T 2 i T 3 włączyć jedną lub trzy diody; b) wyjaśnić, czy w układzie źródła prądowego z jedną diodą kompensującą można uzyskać malenie prądu wyjściowego przy wzroście temperatury. 9

10 WYKAZ LITERATURY [1] Z. Nosal, J. Baranowski Układy elektroniczne cz.i - Układy analogowe liniowe, WNT, 2003 [2] A. Filipkowski: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa [3] P.Horowitz, W.Hill. Sztuka elektroniki. Część 1 i 2. WKŁ, Warszawa [4] W. Stepowicz. Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk1999. [5] U.Tietze, Ch. Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa [6] W. Wawrzyński. Podstawy współczesnej elektroniki. WPW,