Ćwiczenie - 3. Parametry i charakterystyki tranzystorów

Transkrypt

1 Spis treści Ćwiczenie - 3 Parametry i charakterystyki tranzystorów 1 Cel ćwiczenia 1 2 Podstawy teoretyczne Tranzystor bipolarny Charakterystyki statyczne tranzystora npn Tranzystor polowy Przebieg ćwiczenia Wyznaczenie charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego Charakterystyka wejściowa Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystora polowego Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa Sprawozdanie 11 5 Niezbędne wyposażenie 11 Protokół 12 Wyniki pomiarów Charakterystyki tranzystora bipolarnego Charakterystyki tranzystora polowego Cel ćwiczenia Poznanie właściwości tranzystora bipolarnego i polowego. 1

2 2 Podstawy teoretyczne 2.1 Tranzystor bipolarny Tranzystor jest elementem o trzech zaciskach: C - kolektor, B - baza i E - emiter. Tranzystor bipolarny występuje w dwóch odmianach npn i pnp. Poniższe rozważania obowiązują dla tranzystorów npn. Przy rozpatrywaniu tranzystorów pnp wszystkie napięcia i prądy zmieniają znak. C C B npn B pnp E Rysunek 1: Symbol tranzystora npn i pnp Dla tranzystora npn obowiązują następujące reguły: potencjał kolektora musi być większy od potencjału emitera, obwody baza-emiter i baza-kolektor zachowują się jak diody, w warunkach normalnej pracy złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor w kierunku zaporowym, C C E B npn B pnp E Rysunek 2: Interpretacja złącza baza-emiter i baza kolektor tranzystora npn i pnp E każdy tranzystor charakteryzuje się wartościami maksymalnymi prądów i napięć I Cmax, I Bmax, U CEmax, przekroczenie których prowadzi do uszkodzenia. Ograniczeniem również jest moc strat na tranzystorze P max, temperatura złącza oraz napięcie U BEmax. jeśli spełnione są powyższe warunki prąd bazy steruje prądem kolektora i w przybliżeniu prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy: I C = βi B = h F E I B, gdzie β lub h F E nazywamy wzmocnieniem prądowym, typowe tranzystory małej mocy mają wzmocnienie powyżej

3 Gdy prądu bazy I B w układzie na rysunku 3 równa się 0, to tranzystor jest w stanie zatkania. Wówczas prąd kolektora nie płynie (I C = 0), napięcie U CE = U. U = 10V R = 1kΩ U R I C β = 100 I U CE B I E I E = I C + I B Rysunek 3 Gdy w układzie na rysunku 3 prąd bazy wzrośnie do wartości I B = 10µA, wówczas: - prąd kolektora: I C = βi B = = 10 3 A = 1mA, - napięcie na rezystorze R: U R = I C R = = 1V, - napięcie kolektor-emiter: U CE = U U R = 10 1 = 9V. Dla prądu bazy I B = 50µA otrzymamy następujące wartości: - prąd kolektora: I C = βi B = = A = 5mA, - napięcie na rezystorze R: U R = I C R = = 5V, - napięcie kolektor-emiter: U CE = U U R = 10 5 = 5V. Dla prądu bazy I B = 90µA otrzymamy następujące wartości: - prąd kolektora: I C = βi B = = A = 9mA, - napięcie na rezystorze R: U R = I C R = = 9V, - napięcie kolektor-emiter: U CE = U U R = 10 9 = 1V. Przyjmując prąd I B = 100µA teoretycznie otrzymamy następujące wartości: I C = 10mA, U R = 10V i U CE = 0V. Tranzystor będzie w pełni otwarty. Praktycznie gdy tranzystor przewodzi napięcie kolektor-emiter nie może osiągnąć wartości zerowej. Minimalna wartość napięcia kolektor-emiter wynosi U CE sat 0, 2V. Zatem dla układu z rysunku 3 gdy prąd I B 10µA to U CE = U CE sat 0, 2V, U R = U U CE = 10 0, 2 = 9, 8V i I C = I R = U R R = 9,8 = 9, 8mA Dalszy wzrost prądu bazy nie spowoduje wzrostu prądu kolektora, ponieważ maksymalny prąd kolektora ograniczony jest przez rezystor R. Stan w którym prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy nazywamy stanem aktywnym (prąd kolektora jest β razy większy od prądu bazy). W stanie aktywnym mały prąd bazy steruje znacznie większym prądem kolektora. Stan w którym prąd bazy jest na tyle duży, że obwód kolektora nie jest w stanie dostarczyć prądu β razy większego od prądu bazy nazywamy stanem nasycenia. Wartość napięcia nasycenia (U CE sat ) wynosi około 0, 2V, prąd kolektora ograniczony jest przez rezystor R. Ponadto możemy wyróżnić również stan aktywny inwersyjny, w którym złącze bazaemiter spolaryzowane jest w kierunku zaporowym a złącze baza-kolektor w kierunku przewodzenia. 3

4 U BC C I C I B B npn U CE U BE I E Rysunek 4: Oznaczenie kierunków prądów i napięć tranzystora npn E Podsumowując tranzystor bipolarny może znajdować się w jednym z czterech stanów: stan zatkania (odcięcia) - złącze BE i BC spolaryzowane są w kierunku zaporowym, tzn. U BE 0, U BC < 0, I B = 0, I C = 0, stan nasycenia - złącze BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia, tzn. U BE > 0, U BC > 0, I B 0, I C 0, stan aktywny - złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, złącze BC spolaryzowane zaporowo, tzn. U BE > 0, U BC < 0, I C = βi B, stan aktywny inwersyjny - złącze BE spolaryzowane zaporowo, złącze BC spolaryzowane w kierunku przewodzenia, tzn. U BE < 0, U BC > 0. Wykorzystanie tranzystora bipolarnego w układach elektronicznych: stan aktywny - jest podstawowym stanem pracy tranzystora wykorzystywanym we wzmacniaczach, stan nasycenia i odcięcia - stosowane są w technice impulsowej oraz układach cyfrowych, stan aktywny inwersyjny jest rzadko stosowany, ponieważ tranzystor charakteryzuje się gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym Charakterystyki statyczne tranzystora npn Wyróżniamy następujące charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego: charakterystyka wejściowa - I B = f(u BE ) przy U CE = const, charakterystyka przejściowa - I C = f(i B ) przy U CE = const, charakterystyka wyjściowa - I C = f(u CE ) przy I B = const. Rysunek 5: Charakterystyki wyjściowe tranzystora BC546 4

5 2.2 Tranzystor polowy Patrz materiały z wykładu oraz literatura. 5

6 A LABORATORIUM ELEKTRONIKI 3 Przebieg ćwiczenia 3.1 Wyznaczenie charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego W celu wykonania pomiarów wykorzystać płytkę E3 z tranzystorem BC Charakterystyka wejściowa Połączyć układ jak na rysunku 6. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić ograniczenie prądu na I CH1max = 150mA oraz napięcie zasilania U CH1 = 12V. UWAGA! - przed załączeniem układu: ustawić maksymalną rezystancje w obwodzie kolektora - potencjometr VR2 (zaciski górne) skręcić w prawo oraz ustawić minimalny prąd bazy - potencjometry źródła J skręcić w lewo. Zmieniając prąd bazy I B (15µA; 300µA) wyznaczyć charakterystykę wejściową U BE = f(i B ) przy U CE = 3.5V = const. W celu wykonania pojedynczego punktu pomiarowego ustawić prąd I B, następnie zmieniając rezystancje potencjometrem VR1 ustawić napięcie U CE = 3.5V i zapisać pomiary I B oraz U BE. U +15 R C =100Ω zasilacz GWInstek U +15 V R2 -CH2+ -CH1+ I C µa APPA 207 J I B APPA 62 V BC546 V APPA 62 Rysunek 6 Wyniki zapisać w tabeli 1 oraz zaznaczyć na rysunku 10a. 6

7 3.1.2 Charakterystyka przejściowa Połączyć układ jak na rysunku 7. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić ograniczenie prądu na I CH1max = 150mA oraz napięcie zasilania U CH1 = 12V. UWAGA! - przed załączeniem układu: ustawić maksymalną rezystancje w obwodzie kolektora - potencjometr VR2 (zaciski górne) skręcić w prawo oraz ustawić minimalny prąd bazy - potencjometry źródła J skręcić w lewo. Zmieniając prąd bazy I B (15µA; 300µA) wyznaczyć charakterystykę przejściową I C = f(i B ) przy U CE = 3.5V = const. W celu wykonania pojedynczego punktu pomiarowego ustawić prąd I B, następnie zmieniając rezystancje potencjometrem VR1 ustawić napięcie U CE = 3.5V i zapisać pomiary I B oraz I C. U +15 R C =100Ω zasilacz GWInstek U +15 V R2 -CH2+ -CH1+ I C A ma analogowy µa APPA 207 J A I B BC546 V APPA 62 Rysunek 7 Wyniki zapisać w tabeli 1 oraz zaznaczyć na rysunku 10b. 7

8 3.1.3 Charakterystyka wyjściowa Połączyć układ jak na rysunku 8. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie zasilania U +15 = 15V oraz ograniczenie prądu na I CH1max = 100mA. UWAGA! - przed załączeniem układu: ustawić maksymalną rezystancje w obwodzie kolektora - potencjometr VR2 (zaciski górne) skręcić w prawo oraz ustawić minimalny prąd bazy - potencjometry źródła J skręcić w lewo. Dla stałego prądu bazy, zmniejszając potencjometrem rezystancje w obwodzie kolektora dokonać pomiaru prąd kolektora I C oraz napięcia U CE. Wykonać 3 charakterystyki dla następujących prądów bazy: I B1 = 25µA, I B2 = 50µA, I B3 = 75µA. UWAGA! - przed zwiększeniem prądu bazy: ustawić maksymalną rezystancje w obwodzie kolektora - VR2 (zaciski górne) skręcić w prawo. UWAGA! - nie przekraczać: na kolektorze nie przekraczać napięcia i.: U CEmax = 15V dla I B1 = 25µA, U CEmax = 10V dla I B2 = 50µA, U CEmax = 5V dla I B3 = 75µA. U +15 R C =100Ω zasilacz GWInstek U +15 V R2 -CH2+ -CH1+ I C A ma I B µa APPA 207 A BC546 J V APPA 62 Rysunek 8 Wyniki zapisać w tabeli 2 oraz zaznaczyć na rysunku 11. i Ograniczenia wynikają z maksymalnej dopuszczalnej mocy strat na tranzystorze, przekroczenie tej wartości powoduje uszkodzenie tranzystora. 8

9 V V LABORATORIUM ELEKTRONIKI 3.2 Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystora polowego W celu wykonania pomiarów wykorzystać płytkę E3 z tranzystorem BS Charakterystyka przejściowa Połączyć układ jak na rysunku 9. Na kanale pierwszym ustawić ograniczenie prądu na I CH1max = 200mA a na kanale drugim I CH2max = 100mA. Na kanale pierwszym zasilacza ustawić napięcie U CH1 = 0V a na kanale drugim napięcie U CH2 = 3, 5V. Zmieniając napięcie U GS (2V ; 3V ) wyznaczyć dwie charakterystyki przejściowe I D = f(u GS ) przy U DS1 = 2V = const, U DS2 = 3V = const, W celu wykonania pojedynczego punktu pomiarowego ustawić napięcie U GS a następnie zmieniając napięcie na kanale pierwszym zasilacza ustawić napięcie U DS na wybranej stałej wartości. UWAGA! - nie przekraczać: w trakcie wykonywania pomiarów nie przekraczać prądu I Dmax = 75mA. zasilacz GWInstek I D U CH1 R D =100Ω -CH2+ -CH1+ A ma APPA 207 D G BS170 U GS APPA 62 S U DS APPA 62 Rysunek 9: Układ pomiarowy Wyniki zapisać w tabeli 3 oraz zaznaczyć na rysunku 12. 9

10 3.2.2 Charakterystyka wyjściowa W układzie z poprzedniego punku (rysunek 9) wyznaczyć charakterystykę wyjściową. Na kanale pierwszym ustawić ograniczenie prądu na I CH1max = 200mA a na kanale drugim I CH2max = 100mA. Na kanale pierwszym zasilacza ustawić napięcie U CH1 = 0V a na kanale drugim napięcie U CH2 = 4V. Dla stałego napięcia U GS, zmieniając napięcie na kanale pierwszym zmierzyć prąd drenu I D i napięcie dren-źródło U DS. Wykonać 3 charakterystyki dla następujących napięć U GS : U GS1 = 2, 5V, U GS2 = 2, 75V, U GS3 = 3V, UWAGA! - przed zwiększeniem napięcia U GS ustawić na kanale pierwszym napięcie U CH1 = 0V. UWAGA! - nie przekraczać: na drenie nie przekraczać napięcia ii : U DSmax = 15V dla U GS1 = 2, 5V, U DSmax = 6V dla U GS2 = 2, 75V, U DSmax = 3, 5V dla U GS3 = 3V. Wyniki zapisać w tabeli 4 oraz zaznaczyć na rysunku 13. ii Ograniczenia wynikają z maksymalnej dopuszczalnej mocy strat na tranzystorze, przekroczenie tej wartości powoduje uszkodzenie tranzystora. 10

11 4 Sprawozdanie 4.1 Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego Wykreślić i zinterpretować charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego. 4.2 Charakterystyki statyczne tranzystora polowego Wykreślić i zinterpretować charakterystyki statyczne tranzystora polowego. 4.3 Porównanie tranzystora bipolarnego i polowego 5 Niezbędne wyposażenie kalkulator naukowy protokół [?,?] 11

12 ĆWICZENIE - 3 GRUPA:DATA: Protokół Wyniki pomiarów Tabela 1: Charakterystyka wejściowa i przejściowa tranzystora bipolarnego U CE = I B [µa] U BE [V ] oo oo U CE = I B [µa] oo I C [ma] oo Tabela 2: Charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego I B1 = 25µA U CE [V ] I C [ma] I B2 = 50µA U CE [V ] I C [ma] I B3 = 75µA U CE [V ] I C [ma]

13 ĆWICZENIE - 3 GRUPA:DATA: Tabela 3: Charakterystyki przejściowe tranzystora polowego U DS1 = U GS [µa] I D [ma] U DS2 = U GS [µa] I D [ma] Tabela 4: Charakterystyki wyjściowe tranzystora polowego U GS1 =... U DS [V ] I D [ma] U GS2 =... U DS [V ] I D [ma] U GS3 =... U DS [V ] I D [ma]

14 ĆWICZENIE - 3 GRUPA:DATA: Charakterystyki tranzystora bipolarnego I B [µa] I C [ma] U BE [V ] (a) Charakterystyka wejściowa tranzystora I B [µa] (b) Charakterystyka przejściowa tranzystora Rysunek 10 I C [ma] Rysunek 11: Charakterystyki wyjściowe U CE [V ]

15 ĆWICZENIE - 3 GRUPA:DATA: Charakterystyki tranzystora polowego I D [ma] U GS [V ] Rysunek 12: Charakterystyka przejściowa tranzystora I D [ma] Rysunek 13: Charakterystyki wyjściowe U DS [V ]