Badanie tranzystora bipolarnego

Transkrypt

1 Spis ćwiczeń: Badanie tranzystora bipolarnego Symulacja komputerowa PSPICE Charakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego 2. Wyznaczanie rezystancji wejściowej 3. Rysowanie charakterystyk wyjściowych 4. Rysowanie charakterystyki przejściowej 1. Charakterystyka wejściowa tranzystora bipolarnego Opis Tranzystor bipolarny jest trójnikiem i ma trzy końcówki: emiter E, bazę B oraz kolektor C. W układach elektronicznych jedna końcówka jest wspólna i dlatego rozróżniamy trzy różne konfiguracje układowe, czyli układy wspólnego emitera WE, wspólnej bazy WB i wspólnego kolektora WC (inne oznaczenia: OE, OB i OC In CE, CB i CC). Najczęściej wykorzystywany jest układ wspólnego emitera i dlatego charakterystyki i podstawowe parametry tranzystora bipolarnego NPN wyznaczmy dla tranzystora Q2N2222 pracującego w układzie WE. Tranzystor bipolarny będzie pracował w obszarze pracy aktywnej wówczas, gdy złącze emiterowe spolaryzujemy w kierunku przewodzenia napięciem U BE > U (TO), zaś złącze kolektorowe spolaryzujemy w kierunku wstecznym, czyli U CB > 0. Warunek ten jest spełniony, gdy napięcie kolektor-emiter jest dodatnie i ma wartość większą od napięcia nasycenia U Cesat. Ponieważ oznaczenia poszczególnych prądów i napiec w układzie symulacyjnym inne niż w katalogach, w tabeli 1 podano zestawienie oznaczeń. Tabela 1. Zestawienie oznaczeń dla obwodu wejściowego tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera L.p. Wielkość fizyczna, parametr Oznaczenia Katalogowe W prog. Probe 1 Napięcie baza emiter, napięcie U BE V_V1 wejściowe 2 Prąd bazy, prąd wejściowy I B Ib(Q1) 3 Napięcie kolektor emiter, napięcie wyjściowe U CE V(Q1:c) Sposób postępowania przy rysowaniu charakterystyk wejściowych tranzystorów bipolarnych jest bardzo podobny do rysowania charakterystyk statycznych diod konwencjonalnych, ale w układzie występuje dodatkowo napięcie zasilające obwód kolektor emiter: podstawowe ustawienia dla analizy DC Sweep: Źródło V1: od 1 do 1 co 0.01, Źródło V2 (analiza Nested Sweep): od 5 do 20 co 5. 1

2 Rysunek nr 1. Schemat układu Ćwiczenia: 1. Narysuj charakterystykę wejściową tranzystora Q2N2222 dla U CE = Narysuj charakterystykę wejściową dowolnego innego tranzystora bipolarnego. 3. Na podstawie charakterystyki wejściowej tranzystora Q2N2222 dla I B = 2.5 ma wyznacz wartość temperaturowego współczynnika napięcia (jest ot zmiana napięcia baza emiter przypadająca na 1 stopień zmiany temperatury). Porównaj ją z danymi katalogowymi typowych tranzystorów małej mocy. 2

3 2. Wyznaczanie rezystancji wejściowej Rezystancja statyczna diody emiterowej w dowolnym punkcie może być obliczona ze stosunku wartości napięcia baza-emiter do wartości prądu bazy przy stałym napięciu kolektor-emiter: R BE = U BE I B (1) gdzie: U CE = const W katalogach rezystancja statyczna oznaczana jest przez h 11E. W celu narysowania wykresu zależności statycznej rezystancji wejściowej od napięcia baza-emiter po uruchomieniu symulacji w programie Probe klikamy kolejno: Trace Add... i w okienku Trace Expression wpisujemy V(V1:+)/IB(Q1). Klikamy OK i otrzymujemy wykres zależności rezystancji statycznej diody emiterowej do napięcia baza emiter. Rezystancja statyczna może zmieniać się w bardzo dużym zakresie w zależności od położenia punktu pracy na charakterystyce, dlatego w celu zwiększenia dokładności odczytu należy zawęzić zakres zmian napięcia bazaemiter. Rysunek nr 2 Schemat układu do wyznaczania rezystancji wejściowej Rezystancja dynamiczna diody emiterowej w pobliżu pewnego punktu może być obliczona ze stosunku przyrostu napięcia baza emiter od przyrostu prądu bazy: r be = h 11e = U BE I B (2) gdzie: U CE = const 3

4 w programie Probe klikamy kolejno: Trace Add... i w okienku Trace Expression wpisujemy: 1/D((IB(Q1)), co odpowiada odwrotności pochodnej prądu bazy. Zarówno rezystancja statyczna, jak i dynamiczna zależą od położenia punktu pracy na charakterystyce i mogą zmieniać się w bardzo dużych granicach. Zwiększenie dokładności odczytu możliwe jest po zawężeniu zakresu zmian napięcia baza emiter. Ćwiczenia: 1. Narysuj wykres zależności statycznej rezystancji wejściowej tranzystora od napięcia baza emiter dla napięć baza emiter zmieniających się w granicach od 300mV do 500mV 2. Narysuj wykres zależności dynamicznej rezystancji wejściowej tranzystora od napięcia baza emiter dla napięć baza emiter zmieniających się w granicach od 300mV do 500mV 3. Narysuj wykres zależności statycznej rezystancji wejściowej tranzystora od napięcia baza emiter dla napięć baza emiter zmieniających się w granicach od 100mV do 200mV 3. Rysowanie charakterystyk wyjściowych Rodzina charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera nazywamy zależność prądu wyjściowego od napięcia kolektor emiter przy stałej wartości prądu wejściowego: I C = f(u CE ) I B = const (3) Oznaczenia: U BE napięcie baza-emiter, czyli napięcie wejściowe; I B prąd bazy, czyli prąd wejściowy; U CE napięcie kolektor-emiter, czyli napięcie wyjściowe; I C prąd kolektorowy, czyli prąd wyjściowy. Tabela nr 2. Zestawienie oznaczeń dla tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego Emitera. L.p. Wielkość fizyczna, parametr Oznaczenia Katalogowe w prog. Probe 1 Napięcie baza-emiter, napięcie wejściowe U BE V(Ql:b) 2 Prąd bazy, prąd wejściowy I B I_I1 3 Napięcie kolektor-emiter, napięcie U CE U_U1 wyjściowe 4 Prąd kolektorowy, prąd wyjściowy I c Ic(Q1) lub IC(Q1) 5 Zwarciowy współczynnik wzmocnienia h 21E IC(Q1)/IB(Q1) prądowego 6 Konduktancja wyjściowa h 22E IC(Q1)/V(Q1:C) 4

5 Rysowanie rodziny charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego metodą krok po kroku 1. Rysujemy schemat symulowanego układu zgodnie z rysunkiem nr... W bibliotece źródeł źródło prądowe I1 nosi nazwę ISRC, zaś źródło napięciowe V1 nosi nazwę VSRC. 2. Po podwójnym kliknięciu symbolu każdego ze źródeł deklarujemy i zapisujemy ich parametry. Dla źródła V1 przykładową wartość DC = 20 V; dla źródeł przyjmujemy DC = 10 pa. 3. Wydajemy polecenia: Analysis Setup DC Sweep..., a następnie deklarujemy ustawienia analizy DC Sweep. W tym celu w okienku DC Swep zaznaczamy Voltage Source i Linear, w polu Name wpisujemy V1 i deklarujemy: Start Value: 0, End Value: 20, Increment: Klikamy Nested Sweep... i otwiera sie okno DC Nested Sweep, w którym zaznaczamy Current Source i Linear, wpisujemy Name: I1 oraz: Start Value: 0, End Value: 50µ, Increment: loµ. Zaznaczamy Enable Nested Sweep i klikamy OK. Zamykamy okno Analyst Setup. 5. Zapisujemy schemat i klikamy przycisk uruchamiający symulacje Simulate Uwagi: Należy zwrócić uwagę na strzałkę w symbolu prądu - przy pobieraniu symbolu źródła prądowego z biblioteki strzałka skierowana jest w dół, a wiec należy ją odwrócić (po zaznaczeniu symbolu źródła dwukrotnie wykorzystujemy klawisze Ctrl+R). Umieszczenie na schemacie rezystora R1 o wartości 1 mω nie zmienia wyników, a umożliwia obliczanie parametrów dla napięć zmieniających się od 0 V. 5

6 Rysunek nr 3. Schemat układu do wyznaczania rodziny charakterystyk wyjściowych Do rodziny charakterystyk wyjściowych możemy dorysować proste obciążenia W tym celu w programie Probe wydajemy polecenia: Trace Add... W okienku Trace Expression wpisujemy: (20-V(Q1:c))/R1, gdzie R1 oznacza wartość rezystancji kolektorowej oznaczanej tradycyjnie przez Rc. Proste obciążenia narysować dla konkretnych rezystancji o wartościach 1 kω, 2 kω i 5 kω. Rysowanie hiperboli mocy dopuszczalnej W celu narysowania hiperboli mocy dopuszczalnej w polu charakterystyk wyjściowych tranzystora rysujemy dodatkowy wykres opisany równaniem: P/V(Q1:c), gdzie P oznacza moc dopuszczalną wyrażoną w watach [W]. Ustaw Trace Add... Trace Expression: 0.1/V(Q1:c). Ćwiczenia: 1. Narysuj rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystora dla prądów bazy zmieniających się w granicach od 1 do 5 µa 2. Narysuj rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystora dla napięć kolektor emiter zmieniających się od 0V do 5V 6