Badanie tranzystorów bipolarnych.

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LABORATORIUM ELEKTRYCZNE Badanie tranzystorów bipolarnych. (E 8) Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ

2 1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk statycznych tranzystorów bipolarnych oraz ich parametrów hybrydowych, a także zaznajomienie się z metodyką i aparaturą używaną do badań tranzystorów. 2. Wprowadzenie. 2.1. Tranzystor BJT. Okreś1enia i pojęcia podstawowe. Tranzystor bipolarny BJT (ang. Bipolar Junction Transistor) jest przyrządem półprzewodnikowym posiadającym dwa złącza PN, wytworzone w jednej płytce półprzewodnika niesamoistnego. Możliwe jest dwojakie uszeregowanie obszarów o różnym typie przewodnictwa: PNP lub PNP, dające dwa typy tranzystorów. NPN I C PNP I C C C I B I B U BE B E I E U BE B E I E Rys.1. Symbole i polaryzacja tranzystorów bipolarnych. Właściwości tranzystora opisują rodziny jego charakterystyk statycznych. Charakterystyki statyczne są to krzywe przedstawiające zależności między prądami i napięciami stałymi lub wolnozmiennymi występującymi na wejściu i wyjściu tranzystora. Charakterystyki te podaje się najczęściej dla tranzystora w układzie wspólnego emitera WE (OE) rzadziej w układzie wspólnej bazy (OB). 2.2. Układy pracy tranzystora BJT Tranzystor BJT jako element o trzech elektrodach (E,B,C) może pracować w trzech podstawowych konfiguracjach. Zależnie od tego, na której z elektrod utrzymuje się stały potencjał (zasilania lub masy) lub inaczej w zależności od tego, która elektroda jest elektrodą wspólną dla wejścia i wyjścia sygnału rozróżniamy: 1.Układ ze wspólnym emiterem OE (WE) najczęściej stosowany. 2.Układ ze wspólną bazą OB (WB) stosowany w układach b.w.cz. 3.Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC) stosowany w układach wejściowych, nazywany bardzo często wtórnikiem emiterowym. 2.3. Charakterystyki statyczne tranzystora BJT Tranzystor BJT pracujący w dowolnym układzie OE, OB lub OC charakteryzują prądy przez niego płynące i napięcia na jego elektrodach.

3 Można określić cztery rodziny charakterystyk statycznych tranzystora: wejściową I we = f (U we, U wy = idem) przejściową I wy = f (I we, U wy = idem) wyjściową I wy = f (U wy, I we = idem) zwrotną U we = f (U wy, I we = idem) W przypadku układu OE otrzymamy charakterystyki: wejściową I B = f (U BE, = idem) przejściową I C = f (I B, = idem) wyjściową I C = f (, I B = idem) zwrotną U BE = f (, I B = idem) Wszystkie wymienione rodziny charakterystyk można przedstawić na jednym rysunku ze złączonym osiami (rys.2.). cha-ki przejściowe cha-ki wyjściowe = 20V I C I B = 300 = 10V 40 30 20 I B = 200 I B = 100 I B 10 I B = 0 300 200 100 0,2 10V 20V 30V 0,4 I B = 1 cha-ki wejściowe 0,6 cha-ki zwrotne = 10V 0,8 I B = 100 = 20V U BE V I B = 300 Rys.2. Rodziny charakterystyk statycznych tranzystora BJT w układzie OE. 2.4. Parametry hybrydowe tranzystora BJT w układzie OE. Do tworzenia schematów zastępczych tranzystorów bipolarnych konieczna jest znajomość parametrów hybrydowych układu równań czwórnikowych.

4 Czwórnik przedstawiony na rys.3. opisany jest zależnością ( 1 ). Z zależności ( 1 ) wyznaczane są parametry hybrydowe ( h 11, h 12, h 21, h 22 ) umożliwiające stworzenie schematu zastępczego tranzystora bipolarnego rys.4. 1 C 2 I 1 I B I C B U 1 I 2 U 2 1 U BE E Rys.3. Tranzystor BJT w układzie OE przedstawiony jako czwórnik. I E 2 U 1 h 11 h 12 I 1 I 2 = h 21 h 22 U 2 => U 1 =h 11 I 1 +h 12 U 2 I 2 =h 21 I 1 +h 22 U 2 U BE = h 11 I B + h 12 ( 1 ) I C = h 21 I B + h 22 Zakładając = 0 (zwarcie wyjścia) wyznaczamy: h 11 = U BE /I B zwarciową impedancję wejściową» r we = r be h 21 = I C /I B zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego» b Zakładając I B = 0 (przerwa na wejściu rozwarcie) wyznaczamy: h 22 = I C / rozwarciową admitancję wyjściową» 1/r wy = g ce h 12 = U BE / rozwarciowy współczynnik napięciowego sprzężenia zwrotnego I 1 =I we =I B I 2 = -I wy R B E B U 1 1 1 h 11 h 12 U 2 h 21 I 1 h 22 2 2 R C E C U2=Uwy=UCE Rys.4. Schemat zastępczy hybrydowy tranzystora BJT w układzie OE.

5 2.5. Wyznaczanie parametrów hybrydowych z charakterystyk statycznych tranzystora BJT. Sposób wyznaczania parametrów hybrydowych (przyrostowych, różniczkowych) na podstawie danych (np. pomierzonych) charakterystyk statycznych tranzystora przedstawia rys.5. I C h 21 =DI C /DI B 40 h 22 =DI C /D = 10V DI C 30 I B = 200 DI B 20 10 D I B 300 200 100 10V 20V 30V h 11 =DU BE /DI B 0,2 h 12 =DU BE /D 0,4 = 10V DU BE 0,6 0,8 I B = 200 U BE V Rys.5. Wyznaczanie parametrów hybrydowych z charakterystyk statycznych tranzystora BJT w układzie OE. 3. Badania i pomiary. 3.1. Określenie wielkości mierzonych. Przeprowadzane badania mają na celu wyznaczenie podstawowych charakterystyk statycznych i parametrów hybrydowych tranzystorów bipolarnych. Badane są tranzystory średniej i dużej mocy (BC313 lub BC211 i BDY25). 3.2. Schematy układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych. Charakterystyki statyczne tranzystorów bipolarnych wyznacza się w układzie pomiarowym, którego schemat przedstawiono na rysunku 6.

6 R B A I B C I C A R C Zasilacz V U BE B E IE V Zasilacz Rys.6. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych. W przedstawionym układzie można wyznaczyć wszystkie charakterystyki tranzystora (wyjściową, wejściową, przejściową i zwrotną). Zasadniczo w prezentowanym ćwiczeniu wyznaczamy charakterystykę wyjściową I C = f (, I B = idem) dla trzech, czterech wartości prądu bazy i charakterystykę wejściową I B = f (U BE, = idem) dla dwóch, trzech wartości napięć kolektor-emiter (zgodnie z poleceniem prowadzącego zajęcia). Sposób wyznaczania poszczególnych charakterystyk wynika bezpośrednio z ich definicji. Podczas pomiarów nie należy przekraczać dopuszczalnych wartości prądów, napięć oraz mocy badanego tranzystora podanych w katalogu. Należy zwracać baczną uwagę, aby badany tranzystor nie nagrzewał się nadmiernie podczas pomiarów. Przegrzanie tranzystora może być przyczyną dużych błędów pomiarowych a nawet doprowadzić do jego uszkodzenia (szczególnie dotyczy to wyznaczania charakterystyk wyjściowych). 3.3. Wyznaczanie parametrów hybrydowych tranzystorow. Mierniki parametrów tranzystorów bipolarnych są fabrycznie produkowanymi przyrządami pomiarowymi. Przed użyciem tych mierników należy zapoznać się z instrukcją ich obsługi. W ćwiczeniu wykorzystywany jest tester tranzystorów P561. Płytę czołową testera przedstawia rysunek 7. Pomiary parametrów hybrydowych tranzystora (h 11, h 12, h 21, h 22 ) przeprowadzane są w układzie wspólnego emitera, w funkcji prądu kolektora I C przy stałym napięciu kolektor-emiter. Badany tranzystor podłączony jest do zacisków E, B, C testera. 3.4. Sposób obsługi testera P561. A. Przed włączeniem zasilania należy: wybrać właściwy dla danego tranzystora sposób polaryzacji przycisk NPN lub PNP (sprawdź typ tranzystora w katalogu i ustaw przełącznik zgodnie z oznaczeniem katalogowym), pokrętło regulacji napięcia kolektor-emiter ustawić w lewym skrajnym położeniu, pokrętła (dwa) regulacji prądu bazy I B dolne (zgrubne skokowe) i górne (dokładne płynne) ustawić w lewym skrajnym położeniu, wcisnąć klawisz pomiaru napięcia kolektor-emiter i klawisz zakresu 3V, na przełączniku klawiszowym zakresów prądu kolektora I C wcisnąć klawisz 100, wcisnąć klawisz h 21 pomiaru parametrów hybrydowych tranzystora, przełącznik zakresów pomiarowych parametrów tranzystora ustawić w prawym skrajnym położeniu.

7 TRANSISTOR TESTER P561 kw 0,1 0,3 1 3 10 30 h11 V/V 10-4 3. 10-4 10-3 3. 10-3 10-2 3. 10-2 h12 A/A 10 30 100 300 1000 3000 h21 TEST POINT I C PARAMETER 0,3 1 3 10 30 100 NPN PNP ms 1 1 3 3 10 10 30 100 30 100 300 300 h22 I CE0 I CB0 IB 32 60 0,11 0,24 17 0,5 9 1,1 0 5 V 3 10 30 100 E B S C na 300 100 30 10 I EB0 MAINS Rys.7. Płyta czołowa testera P 561. B. Włączyć zasilanie testera przycisk MAINS. C. Wybieranie punktów pracy tranzystora (prowadzenie pomiarów). ustaw (podane przez prowadzącego zajęcia) napięcie kolektor-emiter wciskając odpowiedni klawisz zakresu (przeważnie 10V) i pokręcając pokrętło regulacji napięcia do momentu uzyskania na skali miernika TEST POINT właściwej (zadanej) wartości. Raz ustawiona wartość napięcia do końca pomiarów ma pozostać stała. przełącz miernik TEST POINT na pomiar prądu kolektora wciskając klawisz I C. ustawiaj na mierniku TEST POINT kolejne wartości prądu kolektora I C (podane przez prowadzącego zajęcia) wybierając właściwy zakres pomiaru prądu kolektora (0,3, 1, 3, 10, 30 lub 100) i ustawiając zadaną wartość pokrętłem górnym regulacji prądu bazy I B regulacja płynna (dokładna) i/lub w razie potrzeby pokrętłem dolnym regulacji prądu bazy I B regulacja skokowa (zgrubna). po ustawieniu pierwszej i każdej następnej wartości prądu kolektora I C odczytaj wartość mierzonego parametru (w tym przypadku h 21 ) na skali miernika PARAMETER. Przełącznik zakresów pomiarowych parametrów ustaw na takim zakresie, żeby wskazówka miernika PARAMETER znajdowała się w przedziale pomiędzy 75% a 100% skali miernika. Zwróć szczególną uwagę na aktualny zakres miernika PARAMETER, który należy odczytać z tabeli na płycie czołowej w miejscu będącym na przecięciu się linii poziomej wyznaczonej przez wciśnięty klawisz parametru (w tym przypadku h 21 ) i linii pionowej wyznaczonej przez występ na przełączniku zakresów pomiarowych parametru. po zakończeniu pomiarów pierwszego parametru (h 21 ) oba pokrętła regulacji prądu bazy I B należy KONIECZNIE skręć do lewego skrajnego położenia (na wartość minimalną) sprawdź temperaturę obudowy tranzystora! zmień mierzony parametr na kolejny h 22 i postępuj analogicznie jak przy poprzednim pomiarze, następnie dokonaj pomiarów parametru h 11 i na końcu h 12.

8 3.5. Przebieg ćwiczenia. 1. Zaznajomić się z danymi katalogowymi badanych tranzystorów. Zanotować wartości dopuszczalne: prądu kolektora I Cmax, napięcia kolektor-emiter U Cemax, prądu bazy - I Bmax, napięcia baza-emiter U Bemax, mocy admisyjnej P max. 2. Wyznaczyć rodzinę charakterystyk statycznych (wyjściowych i wejściowych) dwóch tranzystorów mocy (BDY25) w układzie OE. 3. Wyznaczyć parametry hybrydowe dwóch tranzystorów średniej mocy (BC313 i BC211). 4. Wyniki pomiarów zanotować w tabelach otrzymanych od prowadzącego zajęcia. 4.Opracowanie wyników pomiarów. 1. Wykreślić charakterystyki wyjściowe dwu tranzystorów mocy (BDY25) (obie rodziny charakterystyk na jednym wykresie różne od siebie kolorem i/lub charakterem linii i/lub opisem). 2. Wykreślić charakterystyki wejściowe dwu tranzystorów mocy (BDY25) (obie rodziny charakterystyk na jednym wykresie różne od siebie kolorem i/lub charakterem linii i/lub opisem). 3. Wykreślić zależności parametrów hybrydowych w funkcji prądu kolektora tranzystora BC313 (wszystkie parametry na jednym wykresie odznaczone kolorem i/lub charakterem linii i opisem. Konieczne cztery osie rzędnych, oś odciętych musi być wykreślona w skali logarytmicznej). 4. Wykreślić zależności parametrów hybrydowych w funkcji prądu kolektora tranzystora BC211 (wszystkie parametry na jednym wykresie odznaczone kolorem i/lub charakterem linii i opisem. Konieczne cztery osie rzędnych, oś odciętych musi być wykreślona w skali logarytmicznej). 5. Korzystając z wykreślonych charakterystyk statycznych określić w trzech punktach (dla różnych parametrów charakterystyk mierzonych) parametry hybrydowe badanych tranzystorów mocy. 5. Sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia). 2. Wymienione uprzednio dane katalogowe badanych tranzystorów. 3. Schemat układu pomiarowego. 4. Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk. 5. Wykresy wymienionych uprzednio charakterystyk. 6. Określone w p.2.4. parametry hybrydowe tranzystorów mocy. 7. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od przebiegów teoretycznych, rozbieżności wyników na różnych stanowiskach itp.).