Laboratorum elektrok Ćwczee E03IN Charakterystyk trazystorów: bpolarego (p) w układze WE upolarego (z kaałem typu ) Wersja. (4 marca 09)
Sps treśc:. Cel ćwczea... 3. Zagrożea... 3 3. Wprowadzee teoretycze... 3 3.. Metoda pomaru właścwośc statyczych trazystora bpolarego... 3 3.. Metoda pomaru właścwośc statyczych trazystora upolarego (polowego)... 4 4. Dostępa aparatura... 4 4.. Moduł dośwadczaly... 4 4.. Multmetry... 5 4.3. Zaslacz laboratoryjy... 5 4.4. Oscyloskop... 5 4.5. Geerator fukcyjy... 5 5. Przebeg dośwadczea... 6 5.. Charakterystyka wyjścowa zwrota trazystora bpolarego bez obcążea... 6 5.. Charakterystyka wejścowa przejścowa trazystora bpolarego... 8 5.3. Charakterystyka przejścowa (bramkowa) trazystora polowego... 8 5.4. Charakterystyka wyjścowa (dreowa) trazystora polowego... 0 5.5. Wzualzacja charakterystyk wyjścowej (dreowej) trazystora polowego (wersja rozszerzoa)... 6. Wskazówk do raportu... 7. Lteratura... 6 7.. Lteratura podstawowa... 6 7.. Lteratura uzupełająca... 6 8. Aeks... 7 A. Metoda ajmejszych kwadratów... 7 - -
Przed zapozaem sę z strukcją przystąpeem do wykoywaa ćwczea ależy opaować astępujący materał teoretyczy:. Przewodctwo elektrycze półprzewodków. [], [], [3], [4].. Złącze p-. Zasada dzałaa dody półprzewodkowej. [], [], [3]. 3. Zasada dzałaa trazystora bpolarego. [], [], [3]. 4. Zasada dzałaa trazystora upolarego. [], [], [3].. Cel ćwczea Celem ćwczea jest pozae właścwośc statyczych trazystora bpolarego oraz pozae właścwośc statyczych trazystora upolarego (polowego).. Zagrożea Rodzaj Brak Małe Średe Duże zagrożee elektrycze + zagrożee optycze + zagrożee mechacze (w tym akustycze, hałas) + zagrożee polem elektro-magetyczym (poza wdmem optyczym) + zagrożee bologcze + zagrożee radoaktywe (jozujące) + zagrożee chemcze + zagrożee termcze (w tym wybuch pożar) + Przewody z wtykam baaowym są przezaczoe wyłącze do użytku w obwodach skego apęca e wolo podłączać ch do gazda sec zaslającej 30 V. 3. Wprowadzee teoretycze 3.. Metoda pomaru właścwośc statyczych trazystora bpolarego Trazystor bpolary -p- baday jest w układze ze wspólym emterem (WE). Zaslacz SPD3303D wraz z Regulowaym Zaslaczem Napęca (ZN) umożlwa przykładae zadaego apęca do złącza kolektor-emter (CE). Z kole z modułu Zespołu Źródeł Sterujących (ze Źródła Prądowego) możlwe jest zaslae złącza baza-emter (BE) stałym prądem bazy. Układ dwóch amperomerzy wraz z dwoma woltomerzam umożlwa pomary: prądu (wpływającego do) bazy I B, prądu kolektora I C, apęca paującego a złączu kolektoremter (apęce U CE ) oraz apęca paującego a złączu baza-emter (apęca U BE ). Zadawae różych wartośc apęca U CE przy ustaloych wartoścach stałego prądu bazy I B pomar atężea prądu I C oraz apęca U BE, umożlwa wyzaczee: rodzy charakterystyk wyjścowych trazystora I C = f(u CE,I B ), gdze I B = cost., rodzy charakterystyk zwrotych trazystora U BE = m(u CE,I B ), gdze I B = cost. Z kole zadawae różych wartośc prądu bazy I B przy ustaloych wartoścach apęca U CE umożlwa wyzaczee: - 3 -
rodzy charakterystyk wejścowych trazystora U BE = g(i B,U CE ), gdze U CE = cost., rodzy charakterystyk przejścowych trazystora I C = k(i B,U CE ), gdze U CE = cost. 3.. Metoda pomaru właścwośc statyczych trazystora upolarego (polowego) Trazystor upolary (polowy) z kaałem typu baday jest w układze ze wspólym źródłem (WS). Zaslacz SPD3303D wraz z Regulowaym Zaslaczem Napęca (ZN) umożlwa przykładae zadaego apęca do złącza dre-źródło (DS). Z kole z modułu Zespołu Źródeł Sterujących (ze Źródła Napęcowego) możlwe jest zaslae złącza bramkaźródło (GS) stałym apęcem U GS. Układ amperomerza wraz z dwoma woltomerzam umożlwa pomary: prądu dreowego I D, apęca paującego a złączu bramka-źródło (apęce U GS ) oraz apęca paującego a złączu dre-źródło (apęca U DS ). Zadawae różych wartośc apęca U GS przy ustaloych wartoścach apęca U DS pomar atężea prądu dreowego I D płyącego przez trazystor, umożlwa wyzaczee rodzy charakterystyk przejścowych trazystora I D = g(u GS,U DS ), dla U DS = cost. Z kole zadawae różych wartośc apęca U DS przy ustaloych wartoścach apęca U GS pomar atężea prądu dreowego I D umożlwa wyzaczee charakterystyk wyjścowych trazystora I D = g(u DS,U GS ), dla U GS = cost. 4.. Moduł dośwadczaly 4. Dostępa aparatura Potecjometr regulacj prądu Przełączk zmay zakresu ŹRÓDŁO PRĄDOWE Pł 0 R L 3 B C E 3 ŹRÓDŁO NAPIĘCIOWE U G D S R Y Potecjometr regulacj apęca Rys.. Pael czołowy modułu dośwadczalego (w środku) z trazystorem bpolarym upolarym razem z modułam współpracującym: zespół źródeł sterujących ZŹS (po lewej) oraz reguloway zaslacz apęca ZN (po prawej). - 4 -
4.. Multmetry Pomary apęć atężeń prądów w module dośwadczalym wykouje sę przy użycu multmetrów cyfrowych typu KT890, M-3800, M-4650, UT-804 lub Protek 506 (a daym staowsku pomarowym dostępe są tylko wybrae modele) [6]. Przed przystąpeem do pomarów ależy sprawdzć czy przełączkem każdego z multmetrów cyfrowych został wybray właścwy przyrząd pomarowy oraz czy końcówk pomarowe przyłączoe zostały do właścwych zacsków wejścowych. Dwa z multmetrów powy pełć rolę amperomerza a dwa woltomerza. Należy jedocześe pamętać o wyborze odpowedego zakresu pomarowego woltomerza oraz amperomerza. 4.3. Zaslacz laboratoryjy Moduł dośwadczaly powe być zaslay wyłącze za pośredctwem modułów ZŹS ZN (Rys. ), które z kole są zaslae przy użycu zaslacza laboratoryjego SIGLENT model SPD3303D [6]. Przed rozpoczęcem pomarów do zaslacza stablzowaego SPD3303D ależy podłączyć: Zespół Źródeł Sterujących ZŹS do wyjśca zaslacza o stałym apęcu +5V oraz reguloway zaslacz apęca ZN do wyjśca kaału CH zaslacza astawć apęce zaslające +5V. 4.4. Oscyloskop Do wzualzacj charakterystyk wyjścowej trazystora polowego wykorzystyway jest oscyloskop cyfrowy SDS05DL pracujący w trybe XY [5,6] albo w porozumeu z prowadzącym zajęca oscyloskop aalogowy GOS-60 albo GOS-630 [5,6]. 4.5. Geerator fukcyjy Geerator fukcyjy DF64B [6] wykorzystyway jest w zadau dotyczącym wzualzacj charakterystyk wyjścowej trazystora polowego. - 5 -
5. Przebeg dośwadczea Należy wykoać możlwe rzetele pomary (klkaaśce puktów pomarowych) wymagaych charakterystyk trazystora. 5.. Charakterystyka wyjścowa zwrota trazystora bpolarego bez obcążea. Podłączyć Reguloway Zaslacz Napęca (ZN), Źródło Prądowe (ŹP), mlamperomerz (ma), mkroamperomerz (µa), woltomerze (V oraz V) oraz zwork jak a Rys.. ma Reguloway zaslacz apęca (ZN) Przełączk zmay zakresu 3 ŹRÓDŁO PRĄDOWE ŹP µa B Pł C E 0 R L Zworka V Potecjometr regulacj prądu V Zworka Rys.. Schemat połączeń układu do wyzaczaa charakterystyk wyjścowej wejścowej trazystora bpolarego.. Przełączk wyboru zakresu prądu w Źródle Prądowym ustawć a pozycj (zakres od 0 do 0,5 ma). 3. Skręcć gałkę potecjometru regulacj atężea prądu I w Źródle Prądowym maksymale w lewo (do oporu). 4. Skręcć gałkę potecjometru w Zaslaczu Napęca maksymale w lewo (do oporu). 5. Dla mlamperomerza (pomar I C ) ustawć zakres pomarowy a 00 ma albo 400 ma. 6. Dla mkroamperomerza (pomar I B ) ustawć zakres pomarowy a 00 µa albo 400 µa. 7. Dla woltomerza (pomar U CE ) ustawć zakres pomarowy a 0 V albo 40 V. 8. Dla woltomerza (pomary U BE ) ustawć zakres pomarowy a V albo 4 V. 9. Ustawć przełączk Pł w module dośwadczalym w pozycj 0. Wybór tej pozycj ozacza, że wartość rezystacj R L = 0 Ω. - 6 -
0. Po uzyskau zezwolea od opekua włączyć multmetry oraz załączyć apęce a wyjścach zaslacza secowego. Uwaga! Ne zmeać pozycj pokrętła regulacj apęca w zaslaczu secowym SPD3303D, który powe zaslać moduł ZN ustaloym apęcem +5V.. Zmeając apęce U CE w zakrese od 0 V do ok. 0 V wyzaczyć zależość prądu kolektora I C oraz apęca U BE w fukcj apęca U CE przy zadaym mmalym prądze bazy I B 0 (dla takego prądu bazy ależy spodzewać sę blskch zera wartośc prądu kolektorowego I C ).. Powtórzyć pomary z poprzedego puktu dla co ajmej dwóch różych prądów bazy wybraych w zakrese od 40 µa do 60 µa. Szczególą uwagę ależy zwrócć a możlwe gęsty wybór apęć U CE w zakrese od 0 V do ok. 0, V (m. 0 puktów pomarowych). W tym celu ależy obracać gałkę astawy apęć w ZN każdorazowo o ewelk kąt. 3. Otrzymae wyk zapsać w Tabel. 4. Skręcć gałkę potecjometru regulacj atężea prądu I w Źródle Prądowym maksymale w lewo (do oporu). 5. Skręcć gałkę potecjometru apęcowego w Regulowaym Zaslaczu Napęca maksymale w lewo (do oporu). 6. Na podstawe uzyskaych wyków arysować wykresy zależośc: I C w fukcj U CE przy zadaych wartoścach prądów bazy I B charakterystyka wyjścowa oraz U BE w fukcj U CE przy zadaych wartoścach prądów bazy I B charakterystyka zwrota (moża to zrobć opracowując raport). Przykładowe wykresy rodzy charakterystyk wyjścowych zwrotych trazystora dla wybraych prądów bazy przedstawoo a Rys. 3. U CE [V] U CE [V] I B [µa] I B [µa] U BE [V] U BE [V] I C [ma] I C [ma] Tabela. Przykładowa tabela dla charakterystyk trazystora bpolarego służąca do zapsywaa wyków pomarów apęć U prądów I wraz z ch epewoścam graczym U I. I B = 0 µa I B = 80 µa I B = 40 µa I B = 0 µa I B = 0 µa I B = 80 µa I B = 40 µa I B = 0 µa Rys. 3. Przykładowa rodza charakterystyk wyjścowych zwrotych trazystora bpolarego bez obcążea. - 7 -
5.. Charakterystyka wejścowa przejścowa trazystora bpolarego. Skręcć gałkę potecjometru regulacj atężea prądu I w ŹP maksymale w lewo (do oporu).. Ustawć przełączk Pł w module dośwadczalym w pozycj 0. Wybór tej pozycj ozacza, że wartość rezystacj R L = 0 Ω. 3. Ustalć wartość apęca U CE zgode z zaleceem opekua (przedzał apęć 0 V). 4. Zmeając prąd bazy w zakrese od 0 µa do max. 60 µa co ok. 0 µa wyzaczyć prąd I C oraz apęce U BE w fukcj prądu bazy I B. Uzyskae wyk zapsać w Tabel. 5. Powtórzyć czyośc z poprzedego puktu dla ej wartośc apęca U CE. 6. Skręcć gałkę potecjometru regulacj atężea prądu I w ŹP maksymale w lewo (do oporu). 7. Wyłączyć Zaslacz. 8. Odłączyć Reguloway Zaslacz Napęca (ZN), Źródło Prądowe (ŹP), mlamperomerz (ma), mkroamperomerz (µa), woltomerze (V oraz V) oraz zwork z układu pomarowego a Rys.. 9. Narysować wykresy zależośc: U BE od I B charakterystyka wejścowa oraz I C od I B charakterystyka przejścowa przy zadaych apęcach U CE (moża to zrobć opracowując sprawozdae). Przykładowe wykresy charakterystyk wejścowych przejścowych trazystora dla wybraych dwóch apęć U CE przedstawoo a Rys. 4. U CE = 3 V U CE = 5 V U CE = 3 V U CE = 5 V Rys. 4. Przykładowa rodza charakterystyk wejścowych przejścowych trazystora bpolarego. 5.3. Charakterystyka przejścowa (bramkowa) trazystora polowego. Podłączyć Reguloway Zaslacz Napęca (ZN), Źródło Napęcowe (ŹN), mlamperomerz (ma), woltomerze (V oraz V) oraz zwork jak a Rys. 5.. Skręcć gałkę potecjometru apęcowego w Regulowaym Zaslaczu Napęca (ZN) maksymale w lewo (do oporu). 3. Przełączk wyboru zakresu apęć w Źródle Napęcowym (ŹN) ustawć a pozycj (zakres od V do 0 V). 4. Skręcć gałkę potecjometru regulacj apęca U w Źródle Napęcowym maksymale w lewo (do oporu). 5. Dla mlamperomerza (pomar I D ) ustawć zakres pomarowy a 00 ma albo 400 ma. 6. Dla woltomerzy (pomary U GS U DS ) ustawć zakres pomarowy a 0 V albo 40 V. - 8 -
ma Reguloway zaslacz apęca (ZN) Pł 0 R L Zworka Przełączk zmay zakresu V 3 ŹRÓDŁO NAPIĘCIOWE U ŹN G D S Potecjometr regulacj apęca V Zworka Rys. 5. Schemat połączeń układu do wyzaczaa charakterystyk przejścowej wyjścowej trazystora upolarego. 7. Ustawć przełączk Pł w module dośwadczalym w pozycj 0. Wybór tej pozycj ozacza, że wartość rezystacj R L = 0 Ω. 8. Po uzyskau zezwolea od opekua włączyć multmetry oraz załączyć apęce a wyjścach zaslacza secowego. 9. Zgode z zaleceem opekua ustalć apęce U DS (typowo z zakresu od V do 0 V). Zmeając apęce U GS w zakrese od 0 V do 0 V wyzaczyć zależość I D w fukcj U GS przy zadaym apęcu U DS. 0. Powtórzyć pomary z poprzedego puktu przyajmej dla drugej ej wartośc apęca U DS.. Otrzymae wyk zapsać w Tabel.. Na podstawe uzyskaych wyków arysować wykresy zależośc I D w fukcj U GS przy zadaych wartoścach apęć U DS (moża to zrobć opracowując sprawozdae). Przykładowy wykres rodzy charakterystyk przejścowych (bramkowych) trazystora dla wybraych dwóch apęć U DS przedstawoo a Rys. 6. 3. Na podstawe uzyskaych wyków wyzaczyć apęce odcęca U GS OFF trazystora polowego. U GS [V] U GS [V] I D [ma] I D [ma] U DS [V] U DS [V] Tabela. Przykładowa tabela dla charakterystyk trazystora polowego służąca do zapsywaa wyków pomarów apęć U prądów I wraz z ch epewoścam graczym U I. - 9 -
U GS OFF U DS = 3 V U DS = 6 V Rys. 6. Przykładowa rodza charakterystyk przejścowych (bramkowych) trazystora polowego. 5.4. Charakterystyka wyjścowa (dreowa) trazystora polowego. Skręcć gałkę potecjometru apęcowego w Regulowaym Zaslaczu Napęca (ZN) maksymale w lewo (do oporu).. Przełączk wyboru zakresu apęć w Źródle Napęcowym pozostawć w pozycj (zakres od V do 0 V). 3. Ustawć gałkę potecjometru regulacj apęca U w Źródle Napęcowym tak by apęce U GS było rówe około U GS OFF. 4. Dla mlamperomerza (pomar I D ) ustawć zakres pomarowy a 00 ma albo 400 ma. 5. Pozostawć przełączk Pł w module dośwadczalym w pozycj 0. Wybór tej pozycj ozacza, że wartość rezystacj R L = 0 Ω. 6. Zmeając apęce U DS w zakrese od 0 V do 0 V wyzaczyć zależość I D w fukcj U DS przy zadaym apęcu U GS. Szczególą uwagę ależy zwrócć a możlwe gęsty wybór apęć U DS w zakrese od 0 V do 4 V (m. 0 puktów pomarowych). W tym celu ależy obracać gałkę astawy apęć każdorazowo o ewelk kąt. 7. Powtórzyć pomary z poprzedego puktu dla co ajmej dwóch różych apęć U GS z zakresu od U GS OFF do 0 V. Uzyskae wyk zapsać w Tabel. 8. Na podstawe uzyskaych wyków arysować wykresy zależośc I D w fukcj U DS przy zadaych wartoścach apęć U GS (moża to zrobć opracowując sprawozdae). Przykładowy wykres rodzy charakterystyk wyjścowych (dreowych) trazystora dla wybraych trzech apęć U GS przedstawoo a Rys. 7. 9. Wyłączyć Zaslacz. U GS =,5 V U GS =,5 V U GS = 3,6 V Rys. 7. Przykładowa rodza charakterystyk wyjścowych (dreowych) trazystora polowego. - 0 -
5.5. Wzualzacja charakterystyk wyjścowej (dreowej) trazystora polowego (wersja rozszerzoa). Usuąć z płyty wszystke zwork!!!. Podłączyć Geerator (GEN), Źródło Napęcowe (ŹN), woltomerz (V) oraz Zwork jak a Rys. 8. Zworka Pł 0 R L Zworka Przełączk zmay zakresu 3 ŹRÓDŁO NAPIĘCIOWE U ŹN G D S R Y GEN Potecjometr regulacj apęca U Y czare końcówk przewodów!!! czerwoe końcówk przewodów!!! U X Rys. 8. Schemat połączeń układu do wzualzacj charakterystyk wyjścowych trazystora upolarego. 3. Za pośredctwem trójka połączyć geerator jedocześe z kaałem CH oscyloskopu (U X a Rys. 8) oraz z obwodem dre-źródło układu pomarowego oscyloskop połączoy jest przewodem BNC-BNC, zaś układ pomarowy przewodem BNC-wtyk baaowe. Zwrócć uwagę a prawdłowe połączee wtyków baaowych przewód czary do masy, zaś przewód czerwoy do obwodu zaslaa dreu (D a Rys. 8). 4. Z oporka R Y (U Y a Rys. 8) wyprowadzć sygał a kaał CH oscyloskopu. Zwrócć uwagę a prawdłowe połączee przewód czary do masy, a przewód czerwoy do obwodu źródła (S a Rys. 8). 5. Po uzyskau zezwolea od opekua włączyć Źródło Napęcowe, Oscyloskop Geerator. 6. Ustalć apęce a Źródle Napęcowym a pozome apęca odcęca U GS OFF. 7. Wybrać tryb pracy Geeratora apęce płokształte (trójkąte) o częstotlwośc około khz. Oscyloskop ustawć do pracy z kaałem CH w trybe pomaru DC. Wartość apęca mędzyszczytowego sygału ustawć a około U PP = 0 V PP (peak-to-peak). Włączyć w geeratorze regulację składowej stałej (aktywy DC OFFSET) ustawć - -
wartość składowej stałej (czyl przesuąć przebeg a oscyloskope w górę) a ½ U PP wartość apęca wyjścowego oscyluje wówczas pomędzy 0 V a 0 V (jest e mejsza od zera). 8. Wstawć zwork w obwód dreu, zaś opork R Y pozostawć w stae e zwartym zworą. 9. Przełączyć Oscyloskop w tryb pracy X-Y. 0. Zmeać apęce U GS w zakrese od U GS OFF do 0 V dla klku różych apęć U GS.. Zaotować stote astawy oscyloskopu a astępe przerysować z ekrau oscyloskopu otrzymae przebeg.. Po rozłączeu układu zmerzyć rezystację oporka R Y. 3. Podczas wykoywaa sprawozdaa dokoać jakoścowego loścowego porówaa przebegów z oscylogramów z przebegam otrzymaym wcześej podczas wykoywaa charakterystyk dreowych metodą pukt po pukce. 6. Wskazówk do raportu Raport powe zawerać:. Stroę tytułową.. Sformułowae celu ćwczea. 3. Podstawowe defcje, wzory opsy użytych symbol ozaczeń. 4. Schematy układów pomarowych. W sprawozdau ależy umeścć schematy tylko takch układów, które były rzeczywśce zestawae w trakce wykoywaa pomarów. Każdy schemat powe być opatrzoy umerem kolejym zatytułoway. Wszystke elemety pokazae a schemace muszą być jedozacze opsae ozaczoe za pomocą powszeche stosowaej symbolk. 5. Wykaz aparatury (r wetarzowy, typ, wykorzystywae astawy zakresy). W wykaze aparatury ależy jedozacze opsać używaą aparaturę pomarową poprzez podae umeru wetarzowego, typu td. Nadae poszczególym przyrządom ozaczea ależy kosekwete stosować a wszystkch schematach w opsach. 6. Stabelaryzowae wyk pomarów. Jako wyk pomarów ależy zameścć tabele ze zmerzoym wartoścam oraz oszacowaem graczych epewośc pomarowych. Każda tabela powa posadać swój umer kolejy tytuł. 7. Wykresy aalzę wyków. Wszystke wykresy wykoae a podstawe przeprowadzoych pomarów powy meć umery porządkowe oraz podpsy zawerające formację o tym co day wykres przedstawa. 7.. Na podstawe wyków pomarów uzyskaych dla trazystora bpolarego ależy wykoać wykresy: a) I C = f(u CE,I B ) przy zadaych wartoścach prądów I B charakterystyka wyjścowa, b) U BE = m(u CE,I B ) przy zadaych wartoścach prądów I B charakterystyka zwrota. c) U BE = g(i B,U CE ) przy zadaych wartoścach apęca U CE charakterystyka wejścowa, d) I C = k(i B,U CE ) przy zadaych wartoścach apęca U CE charakterystyka przejścowa. - -
7.. Dla trazystora bpolarego, w oparcu o model hybrydowy, apęce baza-emter U BE oraz prąd kolektora I C moża wyrazć jako fukcje prądu bazy I B oraz apęca kolektor-emter U CE : U I C BE U = I I = I C B BE B UCE = cost UCE = cost U IB + U I IB + U C CE BE CE IB = cost IB = cost U U gdze odpowede pochode cząstkowe defują tzw. dyamcze parametry hybrydowe trazystora w układze wspólego emtera. Parametry te charakteryzują kokrete właścwośc trazystora. I tak parametr: h U CE, CE, () BE e = I () B U = cost opsuje rezystację wejścową przy zwartym obwodze wyjścowym dla badaych w ćwczeu trazystorów jest z przedzału od setek omów do klku kloomów, parametr: h U CE BE e = U (3) CE I = cost opsuje tzw. zwrote wzmocee apęcowe przy rozwartym obwodze wejścowym przyjmuje wartośc od 0,0 do 0,000 (bezwymarowy). Odwrotoścą współczyka h e jest bezwymarowy współczyk wzmocea apęcowego przyjmujący wartośc od 0 do 0 4. Z kole: parametr: h I B C e = I (4) B U = cost opsuje zwarcowy współczyk wzmocea prądowego może zmeać sę od klkudzesęcu do klkuset (bezwymarowy), zaś parametr: h I CE C e = U (5) CE I = cost opsuje koduktację wyjścową w przypadku rozwarca obwodu wejścowego przyjmuje wartośc z przedzału od 0-6 [S] do 0-3 [S] (S smes). Odwrotoścą koduktacj wyjścowej jest rezystacja wyjścowa trazystora bpolarego przyjmująca wartośc z przedzału od kω do MΩ. Ozacza to, że typowy trazystor bpolary w układze wspólego emtera charakteryzuje: duże wzmocee prądowe (p. 80); duże wzmocee apęcowe (p. 00); śred opór (rezystacja) wejścowy (p. kω); duży opór (rezystacja) wyjścowy (p. 00 kω). Stąd apęce U BE oraz prąd I C wyrazć moża wzoram: B U I C BE = h = h e e I I B B + h + h e e U U CE CE., (6) (7) - 3 -
Aby wyzaczyć parametry dyamcze ależy oblczyć stosowe pochode cząstkowe. Moża tego dokoać w oparcu o wykresy charakterystyk trazystora. Łącząc wszystke charakterystyk a wspólym wykrese otrzymać moża tzw. charakterograf, którego przykładowy wygląd zademostrowao a Rys. 9. U CE= cost [ma] I = B5 cost 5 I = B4 cost 4 I = B3 cost 3 I = B cost I = B cost [ µ A] [V] U CE= cost I = B3 cost 3 [V] Rys. 9. Przykładowy wykres charakterografu trazystora bpolarego w układze wspólego emtera. W praktyce zbór charakterystyk: wejścowej, przejścowej zwrotej wyjścowej trazystora jest rówoważy charakterografow. Przykładowy zbór charakterystyk trazystora bpolarego dla wybraych parametrów I B U CE przestawoo a Rys. 0. U CE = 3 V I B = 80 µa U CE = 3 V I B = 80 µa Rys. 0. Przykładowy zbór charakterystyk trazystora bpolarego w układze wspólego emtera. - 4 -
Na Rys. 9 0 kolorem żółtym zazaczoo obszary przedstawające lowe fragmety charakterystyk, z których dae ależy wykorzystać do wyzaczaa wartośc dyamczych współczyków hybrydowych, czyl do oblczea stosowych pochodych cząstkowych (h e, h e, h e oraz h e zdefowaych a str. 3). 7.3. Zameścć zbór charakterystyk: przejścowej, wyjścowej, wejścowej zwrotej dla trazystora bpolarego. Borąc pod uwagę fragmety charakterystyk opsae fukcjam lowym (a Rys. 0 fragmety te zazaczoo kolorem żółtym) oblczyć dla aalzowaego trazystora bpolarego współczyk hybrydowe: współczyk wzmocea prądowego dla wybraego apęca U CE h e, współczyk zwrotego wzmocea apęcowego dla wybraego prądu bazy I B h e, rezystację wejścową dla wybraego apęca U CE h e, koduktację wyjścową dla wybraego prądu bazy I B h e. Oblczea wraz z rachukem epewośc stadardowych uzyskaych welkośc ależy wykoać posługując sę metodą ajmejszych kwadratów. Uwag dotyczące metody ajmejszych kwadratów zajdują sę w pukce A aeksu do ejszej strukcj. Należy zwracać szczególą uwagę a jedostk oblczoych welkośc. 7.4. Zając współczyk hybrydowe badaego trazystora bpolarego podać astępujące jego parametry: wzmocee prądowe (h e ), wzmocee apęcowe (odwrotość zwrotego wzmocea apęcowego h e ), rezystację wejścową (h e ) oraz rezystację wyjścową (odwrotość koduktacj wyjścowej h e ). 7.5. Na podstawe wyków pomarów uzyskaych dla trazystora upolarego (polowego) ależy przedstawć wyk zapsae w Tabel oraz: a) wykoać wykres I D = f(u GS,U DS ) przy zadaych wartoścach apęć U DS charakterystyka przejścowa (bramkowa), b) podać wartość apęca odcęca U GS OFF, c) wykoać wykres I D = g(u DS,U GS ) przy zadaych wartoścach apęca U GS charakterystyka wyjścowa (dreowa). Podobe jak dla trazystora bpolarego moża przedstawć zbór charakterystyk dla trazystora upolarego składający sę z obydwu charakterystyk: przejścowej wyjścowej. Przykładowy zbór charakterystyk przedstawoo a Rys.. U DS = 5 V U DS = 3 V U GS =,5 V U GS =,5 V U GS = 3,6 V Rys.. Przykładowy zbór charakterystyk trazystora polowego. - 5 -
7.6. Dokoać jakoścowego loścowego porówaa przebegów z oscylogramów otrzymaych w wyku wzualzacj charakterystyk wyjścowych (dreowych) trazystora polowego z odpowedm przebegam otrzymaym podczas wykoywaa charakterystyk dreowych metodą pukt po pukce. W opsach do zameszczoych oscylogramów ależy podać współczyk wzmocea oscyloskopu dla wejść X oraz Y, wartośc ustawoego apęca U DS oraz wartość rezystacj R Y. 7.7. Uwaga!!! Pod każdym wykresem lub uzyskaym wykem oblczeń ależy zameścć stosowe wosk. Poadto ależy zameścć róweż wosk końcowe. 8. We woskach ależy zameścć oceę dokładośc pomarów oraz włase spostrzeżea co do przebegu ćwczea. W raporce ocee podlegać będze obecość poprawość wszystkch wymeoych powyżej składków, czytelość prezetacj wyków (w postac tabel, wykresów, oscylogramów wyków oblczeń wraz z opsam) oraz jakość dyskusj sformułowaych wosków. Wstęp teoretyczy e jest wymagay w przypadku jego zameszczea w raporce e wpłye a oceę. 7. Lteratura 7.. Lteratura podstawowa [] R. Śledzewsk, Elektroka dla Fzyków, PWN, Warszawa, 984. [] K. Bracławsk. Ato Seck, Elemety półprzewodkowe, WSP, Warszawa, 986. [3] A. Rusek, Podstawy Elektrok tom I II, WSP, Warszawa, 984. [4] A. Sukeck, Alfred Zagórsk, Fzyka cała stałego, WNT, Warszawa, 984. [5] J. Rydzewsk, Pomary oscyloskopowe, WNT, Warszawa, 994. 7.. Lteratura uzupełająca [6] Istrukcje obsług do multmetrów, zaslacza laboratoryjego, oscyloskopów geeratora fukcyjego dostępe są a stroe teretowej: https://fzyka.p.lodz.pl/pl/dla-studetow/podstawy-elektrok/pem-zasoby/ [7] B. Żółtowsk, Skrypt wprowadzee do zajęć laboratoryjych, Skrypt PŁ, Łódź, 00 stroa teretowa Podstaw Elektrok (a serwerze: fzyka.p.lodz.pl). - 6 -
8. Aeks A. Metoda ajmejszych kwadratów Komplety ops metody ajmejszych kwadratów moża zaleźć w skrypce [7], który jest dostępy w postac plku PDF wśród materałów pomocczych dla studetów odbywających zajęca w Laboratorum elektrok. Zakres prezetacj metody w ejszym aekse został dostosoway do zakresu jej wykorzystaa w Laboratorum elektrok. Typowym zadaem dla eksperymetatora jest zalezee aaltyczej postac fukcj y = f(x) a podstawe par wyków pomarów (x y, gdze =,,, ), przeprowadzoych w pewym zakrese zma wartośc x y. Proces te azywamy dopasowaem, aproksymacją lub regresją. W przypadku dośwadczeń wykoywaych w Laboratorum elektrok, ogóla postać poszukwaej fukcj wyka z podaych zwązków teoretyczych lub przyjętych defcj szukaych welkośc wówczas celem regresj jest wyzaczee wartośc lczbowych parametrów występujących w założoej ogólej postac fukcj. Wśród różych metod stosowaych w tym celu szczególe populara jest tzw. metoda ajmejszych kwadratów. Zakładając, że każdy wyk pomaru y podlega rozkładow Gaussa z taką samą epewoścą oraz że epewośc pomarów x są pomjale małe, metoda sprowadza sę do mmalzacj sumy kwadratów różc pomędzy rzeczywstym wartoścam zmeej zależej y (x ) a wartoścam przewdzaym przez model f(x, a, b, c, ) [ y f(x,a,b,c, )] S = K. (A.) Suma S osąga mmum ze względu a wszystke parametry fukcj f, czyl a, b, c, gdy S a = 0, S b = 0, S c = 0,. Aaltycze rozwązae tak otrzymaego układu rówań jest zae tylko dla ektórych postac fukcj f, atomast mmalzację sumy S dla ych fukcj moża zazwyczaj przeprowadzć metodam umeryczym. W ćwczeach przygotowaych w Laboratorum elektrok Istytutu Fzyk PŁ przewdzao jedye regresję lową, tz. dopasowae współczyków fukcj lowej. W przypadku fukcj lowej f(x) = a x + b rozwązae układu rówań S a = 0 S b = 0 prowadz do zalezea współczyków daych wzoram: xy x y a =, (A.) D gdze x y x xy b =, (A.3) D D = x x. (A.4) - 7 -
Precyzja oszacowaych współczyków a b zależy od ch epewośc stadardowych typu A, tz. odchyleń stadardowych, u(a) u(b) daych wzoram: u(a) = ( y ax b), (A.5) ( )D u(b) = ( y ax b) x =, (A.6) ( )D gdze D jest zdefowae wzorem (A.4). Poadto statystycze powązae (skorelowae) wartośc dwóch zmeych x oraz y możemy oceć oblczając współczyk korelacj lowej zdefoway jako: (x x)(y y) r =. (A.7) (x x) (y y) Współczyk r przyjmuje wartośc z przedzału od do +. Wartośc gracze r = ± ozaczają dealą korelacje lową, atomast r = 0 ozacza brak korelacj w takm przypadku próby dopasowaa fukcj lowej są euzasadoe. Ujemy zak współczyka korelacj ozacza, że wzrost wartośc jedej zmeej jest zwązay ze zmejszeem wartośc ej zmeej, zaś doda zak ozacza zgody keruek zma obu zmeych. Jeżel wykorzystyway zwązek teoretyczy lub defcja szacowaej welkośc wskazuje a postać fukcj lowej bez tzw. wyrazu wolego, f(x) = a x, to współczyk achylea prostej ależy oblczyć ze wzoru: = zaś jego odchylee stadardowe według wzoru x y x a, (A.8) (y a x ) u(a) =. (A.9) ( ) Autor raportu powe zawsze samodzele rozważyć, który z dwóch wyżej omówoych przypadków jest odpowed w rozważaym kotekśce. x - 8 -
W praktyce, zamast pracochłoego wykoywaa kolejych dzałań opsaych wzoram (A.)-(A.9), często wykorzystuje sę fukcje statystycze wbudowae w arkusze kalkulacyje Mcrosoft Excel oraz Ope Offce Calc. Szczególe uwersala jest fukcja REGLINP, której składa jest astępująca: =REGLINP(zakres_y; zakres_x; stała; statystyka) gdze zakres_y zakres adresów komórek zawerających wartośc y, zakres_x zakres adresów komórek zawerających wartośc x, stała wartość logcza PRAWDA albo FAŁSZ określająca, czy rówae prostej zawera wyraz woly b. Wszystke wartośc lczbowe róże od zera, p. 7, są terpretowae jako PRAWDA, zaś wartośc 0 odpowada FAŁSZ, statystyka wartość logcza określająca czy zostaą oblczoe dodatkowe statystyk regresj; w przypadku FAŁSZ zwracae są tylko współczyk a b. Poeważ fukcja REGLINP zwraca dwuwymarową tablcę wartośc, powa być wprowadzoa jako formuła tablcowa. W tym celu ależy ajperw zazaczyć obszar komórek dla rezultatu fukcj, apsać formułę w pasku edycyjym ad arkuszem astępe wprowadzć do arkusza przez acśęce kombacj klawszy Ctrl + Shft + Eter. Załóżmy, że komórk A:A5 zawerają zae wartośc x, komórk B:B5 zawerają zae wartośc y, a obszar C:D5 jest zazaczoy jak w przykładowej Tabel A. pożej. Wpsae w pasku edycyjym formuły =REGLINP(B:B5; A:A5; ; ) acśęce kombacj klawszy Ctrl + Shft + Eter spowoduje wyśwetlee wyków oblczeń w zazaczoym uprzedo obszarze. Rozpoczyając od lewego górego rogu obszaru zazaczoego kolorem jasoebeskm w Tabel A., kolejość zwracaych wyków jest astępująca: a wartość współczyka achylea prostej oblczoa według wzoru (A.), b wartość wyrazu wolego wzór (A.3), u(a) wartość odchylea stadardowego współczyka a wzór (A.5), u(b) wartość odchylea stadardowego współczyka b wzór (A.6), r kwadrat współczyka korelacj r oblczoego według wzoru (A.7), atomast dalsze wyk F, d f, ss reg, ss resd e mają zastosowaa w Laboratorum elektrok. A B C C D 0 a b 3 u(a) u(b) 3 3 9 r se y 4 4 37 F d f 5 5 489 ss reg ss resd Tabela A.. Przykładowe dae do oblczeń (x w kolume A oraz y w kolume B) kolejość wyków regresj zwracaych przez fukcję REGLINP w obszarze zazaczoym kolorem jasoebeskm. W przypadku gdy argumet stała ma wartość FAŁSZ, wyk są zwracae w podaej wyżej kolejośc, z tym że współczyk b jest wyzeroway, zaś wyk u(b) jest eobecy. - 9 -
Jeżel formuła tablcowa jest truda do zrozumea, to moża ją zastąpć zborem formuł skalarych z fukcją INDEKS. Wywołae fukcj z argumetam =INDEKS(tablca; r_wersza; r_kolumy) zwraca wartość pojedyczej komórk z argumetu tablca a pozycj o współrzędych (r_wersza; r_kolumy), które lczoe są od (;) dla lewego górego rogu tablcy. Otrzymae zboru wyków rówoważych jedemu wywołau REGLINP jako formuły tablcowej wymaga zatem użyca klku formuł skalarych. Alteratywe, ektóre wyk zwracae w tablcy przez fukcję REGLINP, moża otrzymać wykorzystując specjalzowae fukcje skalare NACHYLENIE, ODCIĘTA oraz R.KWADRAT. a: =INDEKS(REGLINP(B:B5; A:A5; ; ); ; ) albo =NACHYLENIE(B:B5; A:A5) b: =INDEKS(REGLINP(B:B5; A:A5; ; ); ; ) albo =ODCIĘTA(B:B5; A:A5) u(a): =INDEKS(REGLINP(B:B5; A:A5; ; ); ; ) u(b): =INDEKS(REGLINP(B:B5; A:A5; ; ); ; ) r : =INDEKS(REGLINP(B:B5; A:A5; ; ); 3; ) albo =R.KWADRAT(B:B5; A:A5) Tabela A.. Skalare zamek dla fukcj REGLINP wstawaej jako formuła tablcowa. Należy pamętać, że format zapsu otrzymaego wyku wraz z jego epewoścą formuje o rodzaju tej epewośc. Przykładowo, wyk a = 36,73 Ω razem z jego epewoścą stadardową u(a) =,87 Ω, Ω zapsujemy w postac: a = 36,(,) Ω zaps wyku końcowego wraz z epewoścą stadardową Jeżel atomast została polczoa epewość rozszerzoa U p. dla powyższego wyku ser = par pomarów U(a) = k(p, ν) u(a) = 3,377 Ω, gdze k(p, ν) =,845 jest współczykem rozszerzea opsaym rozkładem t-studeta dla przyjętego prawdopodobeństwa objęca P = 99% lczby stop swobody ν = 0 (ν =, gdze to lczba parametrów regresj) to wyk końcowy ależy zapsać w postac: a = (36, ± 3,4) Ω zaps wyku końcowego wraz z epewoścą rozszerzoą UWAGA! W zależośc od wybraego w ustaweach regoalych systemu operacyjego zaku separatora lsty, w formułach arkusza kalkulacyjego Mcrosoft Excel ależy zastosować przeck albo średk. W przypadku arkusza kalkulacyjego Ope Offce Calc separator lsty może być zdetermoway przez wersję językową programu. Nazwy opsaych powyżej fukcj stałych logczych dotyczą polskch wersj programów. Użytkowcy ych wersj muszą używać azw specyfczych dla ch języka. Poadto, azwy te zostały przetłumaczoe tylko dla wybraych języków. Dla pozostałych języków używae są azwy agelske, co podczas przygotowywaa ejszego aeksu dotyczyło p. języka ukrańskego. Język polsk FAŁSZ INDEKS NACHYLENIE ODCIĘTA PRAWDA R.KWADRAT REGLINP Język agelsk/ukrańsk FALSE INDEX SLOPE INTERCEPT TRUE RSQ LINEST Tabela A.3. Nazwy wybraych fukcj stałych używaych w arkuszach kalkulacyjych w języku polskm, agelskm ukrańskm. - 0 -