Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA EKS1A BADANIE TRANZYSTORÓW BIAŁYSTOK 2015

2 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie podstawowych parametrów i charakterystyk prądowo-napięciowych tranzystorów oraz nabycie umiejętności ich poprawnego wyznaczania. Zakres ćwiczenia obejmuje badanie: - tranzystorów bipolarnych (npn, pnp, Darlingtona); - tranzystorów unipolarnych (złączowych JFET, z izolowaną bramką MOSFET; z kanałem typu n lub kanałem typu p), - tranzystorów z węglika krzemu (SiC). Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący. 2. METODYKA BADAŃ 2.1 Badanie tranzystorów Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod metodą "punkt po punkcie". Najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk statycznych jest metoda punkt po punkcie". Metoda ta jest czasochłonna i nie pozwala na wyznaczanie charakterystyk statycznych w dużym zakresie prądów i napięć, ponieważ element się nagrzewa i otrzymywane charakterystyki są nie tylko funkcją jej właściwości elektrycznych, ale również temperatury. Pomiar powinien być więc wykonany możliwie szybko i przy wartościach prądów i napięć znacznie niższych od dopuszczalnych. Zaletą metody jest stosunkowo duża dokładność, która przy zastosowaniu przyrządów wysokiej klasy oraz wyznaczaniu charakterystyk w małym zakresie prądów i napięć może dochodzić do ± 0,5%. Jeżeli tranzystor potraktujemy jako czwórnik (rys.3), to możemy zdefiniować cztery rodzaje I 1 I 2 U 1 U 2 charakterystyk statycznych: Rys.3. Prądy i napięcia w czwórniku wejściowe: I 1 = f(u 1 ) U 2 parametr wyjściowe: I 2 = f(u 2 ) I 1 parametr przejściowe: I 2 = f(i 1 ) U 2 parametr zwrotne: U 1 = f(u 2 ) I 1 parametr

3 W zależności od sposobu włączenia tranzystora (wspólny emiter, wspólna baza, wspólny kolektor dla tranzystorów bipolarnych lub wspólne źródło, wspólna bramka, wspólny dren dla tranzystorów unipolarnych) otrzymamy różne rodziny charakterystyk statycznych. Przykładowo, dla tranzystora bipolarnego w układzie wspólnego emitera, przytoczone wyżej zależności przyjmują postać: wejściowe: I B = f(u BE ) U CE - parametr wyjściowe: I C = f(u CE ) I B - parametr przejściowe: I C = f(i B ) U CE - parametr zwrotne: U BE = f(u CE ) I B - parametr Na rysunkach 4 i 5 przedstawione są schematy układów pomiarowych do zdejmowania charakterystyk statycznych metodą punkt po punkcie dla tranzystora bipolarnego npn (wspólny emiter) i unipolarnego złączowego z kanałem typu n (wspólne źródło). Schematy pomiarowe dla innych rodzajów tranzystorów (pnp, kanał typu p) i innych sposobów włączenia tranzystora należy przygotować samodzielnie. R B ma ma R C Rys.4 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych tranzystorów bipolarnych metodą "punkt po punkcie" w układzie wspólnego emitera ma R D R G Rys.5 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk przejściowych i wyjściowych tranzystora JFET z kanałem typu n Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów metodą oscyloskopową. Zalety metody oscyloskopowej: możliwa jest obserwacja małych nieregularności charakterystyki, które mogłyby być pominięte (przeoczone) w metodzie "punkt po punkcie",

4 przy małym współczynniku wypełnienia impulsów napięcia i prądu badany element nagrzewa się nieznacznie, co pozwala na obserwacje w szerszym zakresie prądów, na ekranie oscyloskopu można obserwować jednocześnie kilka (rodzinę) charakterystyk prądowo-napięciowych. Wadą omówionej metody jest stosunkowo mała dokładność. Transformator 230/24 R1 D do kanału X oscyloskopu zasilacz regulowany lub generator funkcyjny R B U CE R I E R do kanału Y oscyloskopu Rys.6 Uproszczony schemat układu do wyznaczania charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego npn metodą oscyloskopową Uproszczony schemat układu do wyznaczanie statycznych charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego npn metodą oscyloskopową przedstawiony jest na rysunku 6. Napięcie U CE doprowadzane jest do wejścia X oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R - proporcjonalny do prądu kolektora - do wejścia Y (przyjmujemy, że prąd emitera jest praktycznie równy prądowi kolektora). Ze względu na umiejscowienie masy w układzie pomiarowym należy w oscyloskopie włączyć inwersję kanału Y. Sumaryczną wartość rezystancji R i R1 dobieramy w taki sposób, aby prąd płynący w obwodzie był mniejszy od dopuszczalnego prądu kolektora, zaś wartość rezystora R powinna zapewnić łatwe przeliczanie czułości kanału Y z napięciowej (/div) na prądową (I/div). Pomocnicza dioda prostownicza D zapewnia odpowiednią polaryzację (znak) napięcia kolektor emiter. Płynna regulacja prądu bazy tranzystora (za pomocą zmiany napięcia zasilającego obwód bazy) pozwala obserwować zmianę położenia i kształtu charakterystyki wyjściowej.

5 Do jednoczesnej obserwacji dwóch różnych charakterystyk wyjściowych tranzystora, odpowiadających różnym prądom bazy, można wykorzystać generator funkcyjny. W generatorze ustawiamy przebieg prostokątny o częstotliwości rzędu Hz. Amplitudę oraz składową stałą przebiegu wybieramy w taki sposób, aby poziomy napięć (niski i wysoki) zapewniały dwie różne, wybrane wartości prądu bazy. Przykładowe charakterystyki wyjściowe, otrzymane tą metodą przedstawione są na rysunku 7. Rys.7 Przykładowe charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego npn otrzymane metodą oscyloskopową 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Uwaga! Szczegółowy zakres ćwiczenia (t.j. konkretne typy badanych elementów półprzewodnikowych oraz rodzaje charakterystyk i sposoby ich wyznaczania) podaje prowadzący na początku ćwiczenia. a) zapoznać się z kartami katalogowymi badanych przyrządów półprzewodnikowych (dostępne w laboratorium lub na stronach internetowych); b) zanotować najważniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych elementów; c) zmontować odpowiednie układy pomiarowe;

6 d) wyznaczyć metodą punkt po punkcie wybrane rodziny charakterystyk statycznych wybranych tranzystorów; e) wyznaczyć charakterystyki statyczne tranzystorów metodą oscyloskopową; f) wyznaczyć parametry hybrydowe tranzystora bipolarnego przy pomocy miernika parametrów; określić wpływ punktu pracy tranzystora na wyniki pomiarów; 4. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Sprawozdanie powinno zawierać schematy układów pomiarowych i wyniki pomiarów. Wyniki pomiarów należy przedstawić w postaci tablic i wykresów. W zależności od zakresu wykonanych badań należy: na podstawie otrzymanych charakterystyk statycznych wyznaczyć współczynniki wzmocnienia prądowego (statyczny i dynamiczny) tranzystora bipolarnego w kilku wybranych punktach pracy; wyznaczyć moc wydzielaną w tranzystorze w zależności od punktu pracy (np. w funkcji prądu bazy); wyznaczyć napięcie odcięcia kanału lub napięcie progowe oraz prąd nasycenia drenu tranzystora unipolarnego; określić transkonduktancję tranzystora unipolarnego w kilku wybranych punktach pracy; na podstawie charakterystyk wyjściowych (I D = f(u DS )) wyznaczyć rezystancję włączenia R DSon i rezystancję wyłączenia R DSoff tranzystora polowego; wyznaczyć podstawowe parametry tranzystora SiC. 5. WYPOSAŻENIE STANOWISKA POMIAROWEGO makieta uniwersalna, przedstawiona na rys.8; regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0 32 /0 2 A 1x 0 5,5 /0 5 A); oscyloskop cyfrowy; generator funkcyjny; multimetry uniwersalne; miernik parametrów h tranzystora; tranzystory; rezystory.

7 Rys. 8 Widok makiety uniwersalna do badania tranzystorów bipolarnych i unipolarnych. 6. WYMAGANIA BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP, obowiązującą w laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. 7. LITERATURA [1] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E. Pomiary przyrządów półprzewodnikowych, WKiŁ, Warszawa, [2] Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1984 [3] Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WNT, 2009.