Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA 2 (EZ1C ) BADANIE DIOD I TRANZYSTORÓW Białystok 2006

2 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie podstawowych parametrów i charakterystyk prądowo-napięciowych diod i tranzystorów oraz nabycie umiejętności ich poprawnego wyznaczania. Zakres ćwiczenia obejmuje badanie: - diod półprzewodnikowych (prostownicze, stabilizacyjne, impulsowe, Schottky ego, inne); - tranzystorów bipolarnych (npn, pnp, Darlingtona); - tranzystorów unipolarnych (złączowych JFET, z izolowaną bramką MOSFET; z kanałem typu n lub p). Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący. 2. METODYKA BADAŃ 2.1 Badanie diod półprzewodnikowych Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod metodą "punkt po punkcie". Najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk statycznych diod jest metoda punkt po punkcie". Metoda ta jest czasochłonna i nie pozwala na wyznaczanie charakterystyk statycznych w dużym zakresie prądów i napięć, ponieważ dioda 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. Podstawowe układy do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą punkt po punkcie" przedstawiono na rys.1. a) b) Rys.1. Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą punkt po punkcie": a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym (wstecznym)

3 Pierwszy z przedstawionych układów, jest układem do pomiaru małych rezystancji (dokładny pomiar napięcia na diodzie) i może być wykorzystany do wyznaczania charakterystyk diod w kierunku przewodzenia, gdy prąd diody jest znacznie większy niż prąd woltomierza. Drugi układ służy do pomiaru dużych rezystancji (dokładny pomiar prądu) i wykorzystywany jest do zdejmowania charakterystyki wstecznej diody. Uwaga! Zastanowić się nad sposobem pomiaru charakterystyk diody stabilizacyjnej. Których schematów pomiarowych należy użyć do zdjęcia poszczególnych odcinków charakterystyki prądowo napięciowej diody Zenera? Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod metodą oscyloskopową. Zalety metody oscyloskopowej: możliwa jest obserwacja małych nieregularności charakterystyki, które mogłyby być pominięte (przeoczone) w metodzie "punkt po punkcie", przy małym współczynniku wypełnienia impulsów napięcia i prądu badany element nagrzewa się nieznacznie, a charakterystyka wiernie odzwierciedla zachowanie się elementu w określonej temperaturze otoczenia, całą charakterystykę (rodzinę charakterystyk) można zapisać do pamięci komputera, współpracującego z oscyloskopem cyfrowym lub zapisać rejestratorem X-Y. Wadą omówionej metody jest stosunkowo mała dokładność. U D do autotransformatora I D R Rys. 2. Przykładowy schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą oscyloskopową. Przy wyznaczaniu charakterystyk prądowo-napięciowych metodą oscyloskopową diody zasilane są ze źródła napięcia zmiennego niskiej częstotliwości. W najprostszym przypadku może to być obniżone napięcie sieci energetycznej. Spadek napięcia na diodzie D jest doprowadzony do wejścia X oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na rezystorze

4 pomiarowym R - proporcjonalny do prądu płynącego przez diodę - do wejścia Y. Ponieważ w tym układzie spadek napięcia na rezystorze R ma kierunek przeciwny (potencjał masy na katodzie) do spadku napięcia na diodzie, należy zmienić jego znak (opcja invert dla kanału Y). Zależnie od kierunku włączenia diody pomocniczej D 1 uzyskuje się: charakterystykę w kierunku przewodzenia (włączenie D 1 jak na rys.2), charakterystykę w kierunku zaporowym (D 1 włączona przeciwnie) lub pełną charakterystykę diody (bez diody D 1 ). Rezystor R 1 ogranicza wartość prądu i powinien być dobierany w zależności od parametrów badanej diody. 2.2 Badanie tranzystorów Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów metodą "punkt po punkcie". Jeżeli tranzystor bipolarny potraktujemy jako czwórnik (rys.3), to możemy zdefiniować I 1 I 2 U 1 U 2 Rys.3 Prądy i napięcia w czwórniku. cztery rodzaje charakterystyk statycznych: 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 W zależności od sposobu włączenia tranzystora (wspólny emiter, wspólna baza, wspólny kolektor) 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 W przypadku tranzystorów unipolarnych zdejmuje się dwa rodzaje charakterystyk: wyjściowe: I 2 = f(u 2 ) U 1 parametr przejściowe: I 2 = f(u 1 ) U 2 parametr

5 Na rysunkach 4 i 5 przedstawione są przykładowe 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. W oparciu o punkty i zaproponować schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych tranzystora 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);

6 b) zanotować najważniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych elementów; c) zmontować odpowiednie układy pomiarowe; d) wyznaczyć metodą punkt po punkcie charakterystyki statyczne wybranych diod w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym; e) wyznaczyć charakterystyki statyczne wybranych diod metodą oscyloskopową (w kierunku przewodzenia, w kierunku zaporowym lub w obu kierunkach jednocześnie); f) wyznaczyć metodą punkt po punkcie wybrane rodziny charakterystyk statycznych wybranych tranzystorów; g) wyznaczyć charakterystyki statyczne tranzystorów metodą oscyloskopową; h) wyznaczyć parametry hybrydowe tranzystora bipolarnego przy pomocy miernika parametrów h; określić wpływ punktu pracy tranzystora na wyniki pomiarów; i) oszacować współczynnik wzmocnienia tranzystora bipolarnego za pomocą multimetru. 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: oszacować rezystancje statyczne i dynamiczne diody w kilku wybranych punktach charakterystyki (kierunek przewodzenia i zaporowy); sformułować wnioski; określić napięcia progowe lub napięcia Zenera badanych diod; wykreślić charakterystykę statyczną diody dla kierunku przewodzenia w skali półlogarytmicznej (napięcie liniowo, prąd logarytmicznie); skomentować otrzymaną zależność; 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;

7 na podstawie charakterystyk wyjściowych (I D = f(u DS )) wyznaczyć statyczną rezystancję włączenia R DSon i statyczną rezystancję wyłączenia R DSoff tranzystora polowego. 5. WYMAGANIA BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP, obowiązującą w Laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. 6. 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, [4] Januszewski S., Świątek H. Miernictwo półprzewodnikowych przyrządów mocy, WKŁ, 1996.