Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA 2 Kod: ES1C400 026 BADANIE WYBRANYCH DIOD I TRANZYSTORÓW BIAŁYSTOK 2014
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, Schottky ego, inne); - tranzystorów bipolarnych (npn, pnp, Darlingtona); - tranzystorów unipolarnych (JFET i MOSFET - z kanałem typu n lub p). Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący. 2. SCHEMATY POMIAROWE 2.1 Badanie diod półprzewodnikowych. 2.1.1 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 nagrzewa się 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 rysunku 1. regulowany R A a)
regulowany R A b) Rys.1 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych złącza p-n metodą punkt po punkcie : a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym Pierwszy z przedstawionych układów, jest układem do pomiaru małych rezystancji (dokładny pomiar napięcia na diodzie) i może być wykorzystany do wyznaczania charakterystyki złącza p-n w kierunku przewodzenia, natomiast drugi służy do pomiaru dużych rezystancji (dokładny pomiar prądu) i wykorzystywany jest do zdejmowania charakterystyki zaporowej. Uwaga! Zastanowić się nad sposobem pomiaru charakterystyk diody stabilizacyjnej. 2.1.2. Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod metodą oscyloskopową. Zalety metody oscyloskopowej: możliwość obserwacji 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, co pozwala na obserwacje w szerszym zakresie prądów, Transformator 230/24 R1 u d D do kanału X oscyloskopu R i d R do kanału Y oscyloskopu Rys.2 Uproszczony schemat do wyznaczania charakterystyk prądowo-napięciowych diod półprzewodnikowych metodą oscyloskopową.
Wyznaczając charakterystyki prądowo-napięciowe metodą oscyloskopową, diodę zasila się ze źródła napięcia zmiennego niskiej częstotliwości. W najprostszym przypadku może to być obniżone, za pomocą transformatora, napięcie sieci (rys. 2). Spadek napięcia na diodzie D jest doprowadzony do wejścia X oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R - proporcjonalny do prądu płynącego przez diodę - do wejścia Y. 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 badanej diody, zaś wartość rezystora R powinna zapewnić łatwe przeliczanie czułości kanału Y z napięciowej (/div) na prądową (I/div). Rys.3 Charakterystyka prądowo napięciowa diody Zenera (C36) zdjęta metodą oscyloskopową Przykładowa charakterystyka prądowo - napięciowa diody Zenera (C36) pokazana została na rys. 3 (R1 = 680Ω, R = 51Ω). W przypadku, gdy chcemy obserwować charakterystykę jedynie w kierunku przewodzenia, należy szeregowo z rezystorem R1 włączyć pomocniczą diodę prostowniczą, zapewniającą przepływ prądu przez badaną diodę D tylko w jednym kierunku. 2.2 Badanie tranzystorów. 2.2.1 Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów metodą "punkt po punkcie". Jeżeli tranzystor bipolarny potraktujemy jako czwórnik (rys.4), to możemy zdefiniować I 1 I 2 U 1 U 2 Rys.4 Tranzystor jako czwórnik - prądy i napięcia wejściowe i wyjściowe.
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 Na rysunkach 5 i 6 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.5 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych tranzystorów bipolarnych metodą "punkt po punkcie" (w układzie wspólnego emitera) ma R D R G Rys.6 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk przejściowych i wyjściowych tranzystora JFET z kanałem typu n
2.2.2. Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów metodą oscyloskopową. 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.7 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 7. 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 napięcia kolektor emiter. Płynna regulacja prądu bazy tranzystora (za pomocą zmiany napięcia zasilającego obwód bazy) pozwala obserwować zmianę położenia i kształtu charakterystyki wyjściowej. Do jednoczesnej obserwacji dwóch różnych charakterystyk wyjściowych tranzystora, odpowiadających różnym prądom bazy, można wykorzystać generator funkcyjny. W generatorze ustawiamy przebieg prostokątny o częstotliwości rzędu 300 500 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 8. Rys.8 Przykładowe charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego npn otrzymane metodą oscyloskopową 3. WYPOSAŻENIE STANOWISKA POMIAROWEGO makiety uniwersalne, przedstawione na rys.9; uniwersalna płyta łączeniowa GL-12F z przewodami łączeniowymi; regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0 32 /0 2 A 1x 0 5,5 /0 5 A); oscyloskop cyfrowy; generator funkcyjny; częstościomierz; multimetry uniwersalne. Pozostałe przyrządy pomiarowe będą dostępne w zależności od potrzeb, wynikających ze specyfiki badanego układu.
a) b) Rys. 9 Dwa rodzaje makiet uniwersalnych do badania diod i tranzystorów skala 1:1 (Oznaczenia: szare kółka gniazda bananowe 2mm, czarne prostokąty miniaturowe listwy łączeniowe do mocowania elementów z dwoma lub trzema zaciskami)
4. 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; 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) wyznaczyć współczynnik wzmocnienia tranzystora bipolarnego za pomocą multimetru. 5. 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; na podstawie charakterystyk wyjściowych (I D = f(u DS )) wyznaczyć statyczną rezystancję włączenia R DSon i statyczną rezystancję wyłączenia R DSoff tranzystora polowego. 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, 1990. [2] Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1984 [3] Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WNT, 1997. [4] Januszewski S., Świątek H. Miernictwo półprzewodnikowych przyrządów mocy, WKŁ, 1996.