Systemy i architektura komputerów

Bogdan Olech Mirosław Łazoryszczak Dorota Majorkowska-Mech Systemy i architektura komputerów Laboratorium nr 4 Temat: Badanie tranzystorów

Spis treści Cel ćwiczenia... 3 Wymagania... 3 Przebieg ćwiczenia... 3 Podsumowanie... 7 Literatura... 7

CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: 1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej i wzmocnienia prądowego tranzystora bipolarnego, 2. Poznanie pracy tranzystora jako wzmacniacza sygnałów. WYMAGANIA Do wykonania niniejszego ćwiczenia niezbędne jest zapoznanie się z następującymi zagadnieniami: Tranzystor bipolarny typu npn i pnp: budowa, zasada działania, charakterystyki prądowonapięciowe, parametry, zastosowanie, Punkt pracy tranzystora bipolarnego, Sposoby polaryzacji tranzystora bipolarnego npn i pnp w różnych układach pracy, Charakterystyka wzmacniaczy tranzystorowych w różnych układach pracy. PRZEBIEG ĆWICZENIA Na rysunku 1 przedstawiono symbole tranzystorów bipolarnych npn oraz pnp i ich schematy diodowe. Na rysunku 2 przedstawiono rozkład wyprowadzeń tranzystorów bipolarnych. Tranzystory mogą pracować w różnych układach pracy. Na rysunku 3 przedstawiono możliwe układy pracy tranzystorów: ze wspólnym emiterem WE (OE), ze wspólną bazą WB (OB) oraz ze wspólnym kolektorem WC (OC). C C B B Rys. 1. E E a) npn b) pnp Symbole i schematy diodowe tranzystorów bipolarnych: a) typu npn, b) typu pnp Rys. 2. Rozkład wyprowadzeń tranzystorów bipolarnych (widok od strony wyprowadzeń) Strona 3 z 8

C E B B E a) WE b) WB C c) WC Rys. 3. Układy pracy tranzystorów bipolarnych: a) wspólny emiter, b) wspólna baza, c) wspólny kolektor Ćwiczenie nr 1 Charakterystyka przejściowa oraz wzmocnienie prądowe tranzystora w układzie WE 1. Korzystając z Internetu sprawdź czy tranzystor bipolarnego 2N2222A jest typu npn czy pnp. 2. Korzystając z uniwersalnego miernika cyfrowego zmierz i zanotuj wzmocnienie prądowe h FE = h 21E = β tranzystora bipolarnego 2N2222A, za pomocą testera wbudowanego do tego miernika. 3. Zmierz woltomierzem wartość napięcia zasilania źródła napięcia stałego (+15 V) na płycie prototypowej NI ELVIS II. 4. Sprawdź układ wyprowadzeń tranzystora 2N2222A (rys. 2) i zbuduj układ jak na rys. 4. I C A R 2 = 820 PS (+15 V) I B R 1 = 47 k U CE VPS (0 12 V) V U BE Rys. 4. Schemat układu do wyznaczania charakterystyki przejściowej oraz wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie WE 2. W obwodzie bazy umieść, jak na rys. 4, regulowany zasilacz prądu stałego (Variable Power Supply, VPS) oraz zewnętrzny miernik cyfrowy ustawiony w tryb pracy woltomierza napięcia stałego. 3. W obwodzie kolektora umieść stałe źródło napięcia o wartości +15 V (Power Supply) oraz amperomierz z zestawu NI ELVIS II. 4. Na pulpicie sterowania VPS wybierz opcję Manual ze zwrotnym pomiarem napięcia zasilania (U zb ). 5. Poprzez regulację VPS ustaw minimalne napięcie zasilania w obwodzie bazy. Czy płynie wtedy prąd w obwodzie bazy? (Prąd w obwodzie bazy można wyznaczyć znając napięcie zasilania i napięcie na złączu baza emiter z zależności I B =U R1 /R 1 =(U zb - U BE )/R 1. Czy płynie Strona 4 z 8

wtedy prąd w obwodzie kolektora? Jeżeli przez tranzystor nie płynie prąd to mówimy, że jest on zatkany lub odcięty. 6. Wymuszając zmiany napięcia zasilania U zb w obwodzie bazy poprzez regulację VPS obserwuj i notuj w tabeli 1 napięcie zasilania oraz wskazania woltomierza w obwodzie bazy i amperomierza w obwodzie kolektora. Tab. 1. Wyniki pomiarów do charakterystyki przejściowej tranzystora 2N2222A w układzie WE L.p. U zb [V] U BE [V] I C [ma] I B = (U zb - U BE )/R 1 [µa] β = h 21 E =IC/IB U CE = U zc I C R 2 [V] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 7. Obserwując wskazania amperomierza z pewnością zaobserwujesz, że przy pewnej wartości prądu kolektora I C (jakiej?), dalszy wzrost napięcia zasilania w obwodzie bazy (i co jest z tym związane prądu bazy) nie powoduje już wzrostu prądu kolektora. Mówimy, że tranzystor jest wtedy w stanie nasycenia. Z czego wynika wartość prądu kolektora w stanie nasycenia? 8. Dla każdego pomiaru oblicz prąd płynący w obwodzie bazy I B z zależności (korzystamy z prawa Ohma dla rezystora R 1 i II prawa Kirchhoffa dla obwodu bazy) I B = U R1 /R 1 = (U zb - U BE )/R 1. 9. Dla każdego pomiaru wyznacz wzmocnienie prądowe tranzystora β. Czy wartość tego wzmocnienia jest stała? 10. Dla każdego pomiaru oblicz napięcie pomiędzy kolektorem i emiterem U CE z zależności (korzystamy z II prawa Kirchhoffa dla obwodu kolektora i prawa Ohma dla rezystora R 2 ) U CE = U zc - U R2 = U zc - I C R 2. U zc oznacza napięcie zasilania w obwodzie kolektora (zmierzone w punkcie 3). 11. Sporządź wykres charakterystyki przejściowej tranzystora I C = f(u BE ). 12. Sporządź wykres zależności prądu kolektora od prądu bazy I C = f(i B ). 13. Sporządź wykres zależności U CE = f(u BE ) napięcia kolektor-emiter (na wyjściu) od napięcia baza-emiter (na wejściu). 14. Na wykresie U CE = f(u BE ) wskaż obszar zatkania tranzystora (nie płynie prąd kolektora, napięcie zasilania w układzie kolektora jest równe napięciu kolektor-emiter), obszar nasycenia (zwiększanie napięcia baza-emiter U BE i co za tym idzie prądu bazy nie powoduje zmiany napięcia kolektor-emiter U CE, prąd kolektora jest maksymalny) oraz obszar liniowy pracy tranzystora (zmiana napięcia na wejściu powoduje proporcjonalną do niej zmianę napięcia na wyjściu). 15. Jaką rolę pełni tranzystor w układzie, jeśli jest tylko przełączany ze stanu zatkania do stanu nasycenia i odwrotnie? 16. Czy w obszarze liniowym pracy tranzystora zwiększenie napięcia U BE powoduje zwiększenie czy zmniejszenie napięcia U CE? 17. W liniowym obszarze pracy tranzystora wyznacz z wykresu U CE = f(u BE ) współczynnik wzmocnienia napięciowego U CE / U BE. 18. Co oznacza termin punkt pracy tranzystora? 19. Patrząc na wykres U CE = f(u BE ) zastanów się dlaczego przy pracy tranzystora jako wzmacniacza napięć zmiennych, należy wejściowy przebieg zmienny nałożyć na stałe napięcie polaryzacji? Strona 5 z 8

Ćwiczenie nr 2 Tranzystor w układzie WE jako wzmacniacz sygnałów zmiennych 1. Zbuduj układ jak na rys. 5. 2. Na jeden kanał oscyloskopu podłącz, wykorzystując wejście analogowe AI0, napięcie pomiędzy bazą a masą (bazę połącz z AI0+ zaś masę z AI0-). Na drugi kanał oscyloskopu podłącz, wykorzystując wejście analogowe AI1, napięcie pomiędzy kolektorem o masą (kolektor połącz z AI1+ zaś masę z AI1-). 3. Na pulpicie sterowania generatora sygnałów wybierz sygnał sinusoidalny o częstotliwości 100 Hz i napięciu międzyszczytowym 0,2 V. 4. Zapewnij punkt pracy tranzystora umożliwiający obserwację wzmocnienia sygnału zmiennego (VPS ustaw na około 5 V). Naszkicuj (wykonaj zdjęcie) oscylogramy przebiegów na wejściu i wyjściu. 5. Zmieniaj wartość amplitudy zmiennego źródła napięcia z FGEN, aby uzyskać widoczne zniekształcenia sygnału na wyjściu. Naszkicuj (wykonaj zdjęcie) oscylogramy przebiegów ze zniekształceniami. Na czym te zniekształcenia polegają? Z czego one wynikają? 6. Zmieniaj wartość napięcia VPS i obserwuj wpływ punktu pracy tranzystora na pojawienie się zniekształceń. Wyjaśnij wyniki swoich obserwacji. R 2 = 820 R 1 = 47 k PS (+15 V) VPS (0-12 V) C = 220 nf FGEN R 3 = 120 Rys. 5. Schemat układu, w którym tranzystor w układzie WE pełni rolę wzmacniacza Ćwiczenie nr 3 Charakterystyka wyjściowa tranzystora w układzie WE 1. Zmierz i zanotuj wartość napięcia źródła napięcia stałego (+5V) na płycie NI ELVIS II. 2. Zbuduj układ jak na rysunku 6. 3. Zmierz i zanotuj wartość napięcia na złączu baza- emiter U BE. 4. Oblicz prąd bazy I B = U R1 /R 1 = (U zb - U BE )/R 1. 5. Zmieniaj wartość napięcia zasilania w obwodzie kolektora mierząc jednocześnie wartość tego napięcia zasilania (równą napięciu na złączu kolektor emiter U CB ) oraz prąd kolektora I C. Wyniki wpisz do tabeli 2. Zaobserwuj, czy napięcie U BE (prąd bazy) ulega zmianie? 6. Sporządź wykres zależności prądu kolektora, jako funkcji napięcia na złączu kolektor-emiter I C = f(u CE ) przy stałym prądzie bazy I B = const. Jest to charakterystyka wyjściowa tranzystora w układzie WE. 7. Podsumuj wyniki swoich obserwacji i pomiarów. Strona 6 z 8

Rys. 6. Schemat układu do pomiaru charakterystyki wyjściowej tranzystora w układzie WE Tab. 2. Wyniki pomiarów do charakterystyki wyjściowej tranzystora 2N2222A w układzie WE L.p. U CE [V] I C [ma] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia, a także ćwiczeń poprzednich student powinien nabyć bądź utrwalić następujące umiejętności: rozumienie zasady działania tranzystora bipolarnego, poznanie sposobów polaryzacji i układów pracy tranzystorów bipolarnych, poznanie pracy tranzystora jako wzmacniacza w układzie WE. LITERATURA [1] Górecki P.: Elektronika dla wszystkich, Tranzystory dla początkujących cykl artykułów. http://pjwstk.mykhi.org/3sem/elk/rozne/edw%20%28elektronika%20dla%20wszystkich%29/tr anzystory%20dla%20poczatkujacych/ (dostęp grudzień 2012). [2] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKŁ, Warszawa 2009. Strona 7 z 8

[3] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI Experiments. http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/exper/index.html (dostęp październik 2010). [4] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume I DC, http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/dc/index.html (dostęp październik 2010). [5] Kybett H., Boysen E.: Elektronika dla każdego. Przewodnik, Helion, Gliwice, 2012. [6] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa, 2006. Strona 8 z 8