SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
1
Ćwiczenie 1. Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady funkcjonowania i właściwości
tranzystora bipolarnego oraz wyznaczenia podstawowych charakterystyk wzmacniacza w
układzie wspólnego emitera.
Tranzystory bipolarne (warstwowe)
Tranzystor warstwowy jest elementem
bipolarnym
o
dwóch
złączach
p-n
zlokalizowanych
w
monokrysztale
półprzewodnika w ten sposób, Ŝe powstają w
nim trzy obszary (warstwy) mające kolejno
przewodnictwa p-n-p lub n-p-n.
Rys. 1. Budowa tranzystora NPN
Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku
elektrycznego są elektrony i dziury, o czym świadczy przymiotnik bipolarny.
Patrząc na diodowe modele zastępcze tranzystorów
moŜna stwierdzić, Ŝe tranzystor składa się z dwóch
połączonych ze sobą diod o wspólnej warstwie n lub p.
Jedna z warstw jest źródłem ładunków (emituje
ładunki) i dlatego nazywana jest emiterem E. Środkowa
warstwa nazywa się bazą B. Jej zadaniem jest sterowanie
przepływem ładunków. Ostatnia warstwa nazywa się
kolektorem C (łac. collectus=zbieranie), gdyŜ zbiera
ładunki.
Rys. 2. Symbole graficzne tranzystora bipolarnego i diodowe schematy zastępcze
Występujące dwa modele tranzystorów PNP i NPN funkcjonują identycznie, róŜnice
występują tylko w kierunkach zewnętrznych źródeł napięcia i w kierunkach przepływu
prądów.
Tranzystor NPN przewodzi, kiedy baza i kolektor są dodatnio spolaryzowane względem
emitera.
W tranzystorze PNP baza i kolektor muszą być ujemnie spolaryzowane względem
emitera.
W tranzystorach bipolarnych warstwy emitera i kolektora są silniej domieszkowane niŜ
warstwa bazy. JeŜeli w tranzystorze NPN złącze baza-emiter jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym, to w tranzystorze popłynie prąd
elektronowy od emitera przez pierwsze złącze do bazy. PoniewaŜ warstwa bazy jest
wyjątkowo cienka elektrony przepływają przez bazę i docierają do drugiego złącza. Tam są
przyciągane przez dodatnio spolaryzowaną elektrodę kolektora. Złącze baza-emiter przewodzi
elektrony i nie tworzy dla nich warstwy zaporowej.
W tranzystorach mała zmiana prądu bazy powoduje duŜe zmiany prądu kolektora.
Występuje zjawisko wzmocnienia prądu.
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
2
Przyjęło się w sposób określony oznaczać napięcia na tranzystorze. Napięcie na
elektrodach tranzystora mierzone względem masy oznaczane jest indeksem w postaci
pojedynczej duŜej litery C, B lub E i tak na przykład U
C
oznacza napięcie na kolektorze.
Napięcie między dwoma elektrodami oznacza się podwójnym indeksem, np. dla
napięcia między bazą, a emiterem będzie to U
BE
.
Na rys. 3 przedstawiony jest tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze
kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria E
C
), natomiast złącze baza-emiter w
kierunku przewodzenia (bateria E
B
).
Na rys. 4 pokazany jest rozpływ prądu w tranzystorze npn. PoniewaŜ złącze baza-emiter
jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia to istnieje przepływ dziur z obszaru p do
obszaru n oraz przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p.
Rys. 3.
Rys. 4.
Elektrony wprowadzane z emitera do bazy stają się tam nośnikami mniejszościowymi i
drogą dyfuzji oddalają się od złącza emiterowego. Część tych elektronów łączy się z dziurami,
których w bazie jest bardzo duŜo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliŜe
złącza kolektor-baza są unoszone do obszaru kolektora. Dla nieduŜej szerokości obszaru p
(bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora.
Rys. 5. Tranzystor jako wzmacniacz
JeŜeli w układzie pokazanym na rysunku 5 zwiększy się napięcie baza-emiter z 0,8 V do
1 V, to prąd kolektora wzrośnie np. o około 0,1 A, a napięcie kolektor-emiter zmniejszy się o
około 4 V. Zmieniając napięcie baza-emiter, moŜna zmieniać rezystancję kolektor-emiter
tranzystora. Następstwem tego jest zmiana prądu kolektora, znacznie większa niŜ zmiana
prądu bazy.
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
3
JeŜeli w obwód włączymy rezystor R
C
, to wskutek spadku napięcia na tym rezystorze
zmienia się takŜe napięcie kolektor-emiter tranzystora. Zmiana tego napięcia jest znacznie
większa niŜ zmiana napięcia między bazą i emiterem.
Uzyskuje się zatem odpowiednio wzmocnienie prądu i napięcia. Taki układ pracy
tranzystora jako wzmacniacza nosi nazwę układu ze wspólnym emiterem WE.
Statyczne charakterystyki tranzystora
Właściwości tranzystora moŜna opisać na podstawie jego charakterystyk statycznych.
Dla kaŜdego z trzech układów pracy tranzystora podaje się zwykle dwie charakterystyki:
wejściową i wyjściową. Charakterystyki statyczne przedstawiają zaleŜności między prądami:
emitera I
E
, bazy I
B
, kolektora I
C
i napięciami: baza-emiter U
BE
, kolektor-emiter U
CE
i
kolektor-baza U
CB
.
Typowy przebieg charakterystyk wejściowych I
B
=f(U
BE
) przy U
CE
=const oraz
charakterystyk wyjściowych I
C
=f(U
CE
) przy I
B
=const tranzystora p-n-p pracującego w
układzie WE przedstawione są na rysunku poniŜej:
Rys. 6. Charakterystyki tranzystora: charakterystyka wejściowa i charakterystyka wyjściowa
Na charakterystyce wyjściowej wyraźnie widać, Ŝe wartość prądu kolektora zaleŜy od
prądu bazy, podwyŜszenie róŜnicy potencjałów między kolektor-emiter nieznacznie tylko
wpływa na wzrost wartości prądu.
Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza tranzystorowego
Z własności tranzystora wynika, Ŝe jego właściwości wzmacniające są ściśle zaleŜne od
zakresu częstotliwości wzmacnianych sygnałów.
ZaleŜność współczynnika wzmocnienia od częstotliwości sygnału wejściowego nazywa
się charakterystyką częstotliwościową wzmacniacza.
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
4
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza prądu zmiennego szerokopasmowego
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza prądu zmiennego selektywnego
Podstawowe układy zasilania wzmacniaczy
Najczęściej są stosowane układy, w których obwody bazy i kolektora zasilane są z jednego
wspólnego źródła.
a) b) c)
Rys. 7. Układy zasilania wzmacniacza: a) wymuszonym zasilaniem bazy, b) ze sprzęŜeniem
kolektorowym, c) z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzęŜeniem emiterowym
W układzie pierwszym (rys. 7a) baza jest zasilana przez rezystancję R
B
. Napięcie
polaryzacji bazy zaleŜy w tym przypadku od spadku napięcia na rezystancji R
B
, który
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
5
powstaje wskutek przepływu przez nią prądu bazy I
BO
. Układ taki nie jest korzystny z powodu
duŜej zaleŜności punktu pracy wzmacniacza od temperatury tranzystora.
Lepszą stabilizację punktu pracy uzyskuje się w układzie drugim (rys. 7b), w którym
opornik R
BC
włączony jest między bazę a kolektor. Dzięki ujemnemu sprzęŜeniu zwrotnemu
wzmacniacz jest mniej wraŜliwy na temperaturowe zmiany parametrów tranzystora.
W układzie trzecim (rys. 7c) baza jest zasilana z dzielnika napięcia R
1
, R
2
, a ujemne
sprzęŜenie zwrotne polepszające stabilność temperaturową układu uzyskuje się na oporniku
emiterowym R
e
, zbocznikowanym kondensatorem o duŜej pojemności C
e
.
Układ z szeregowym opornikiem w bazie R
b
Rys. 8. Schemat ideowy układu zasilania
Na bazę tranzystora podano przez opornik R
b
napięcie sinusoidalnie zmienne z
generatora funkcyjnego o regulowanej amplitudzie sygnału. PoniŜej wartości 0,7 V tranzystor
pozostawał w stanie zatkania, tzn. nie płynął prąd bazy, rezystancja złącza kolektor-emiter
(R
ce
) jest bliska nieskończoności, a napięcie wyjściowe z kolektora jest bliskie napięciu
zasilania U
z
, będąc pomniejszonym o spadek napięcia na rezystancji kolektora R
c
.
Gdy wartość sygnału przekroczyła 0,7 V
tranzystor zaczął przewodzić, ale tylko w
tym zakresie sinusoidy, której wartość
przekraczała 0,7 V. Zwiększanie amplitudy
sygnału
powodowało
odetkanie
się
tranzystora, aŜ do stanu nasycenia.
W
tym
stanie
prąd
bazy
jest
maksymalny, rezystancja złącza kolektor-
emiter dąŜy do zera i napięcie wyjściowe,
które jest spadkiem napięcia na tym złączu
równieŜ dąŜy do zera.
W rzeczywistości wartość minimalna
napięcia wynosi 0,2 V. Zwiększenie wartości
sygnału
wejściowego
powoduje
zmniejszenie wartości napięcia na wyjściu.
Rys. 9. Wykres przebiegów napięcia wejściowego i wyjściowego w funkcji czasu.
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
6
Układ ze wstępną polaryzacją bazy tranzystora
Rys. 10. Schemat ideowy układu zasilania
W układzie tym uŜyto dwóch oporników (R
b1
, R
b2
), których zadaniem jest wstępna
polaryzacja bazy tranzystora, w celu wyznaczenia punktu pracy. Rezystory R
b1
oraz R
b2
dobiera się w taki sposób, aby wstępnie odetkać tranzystor a napięcie na wyjściu równało się
połowie napięcia zasilania. Tu ujawnia się przewaga tego rozwiązania nad układem z
szeregowym opornikiem na bazie R
B
, czyli moŜliwość wzmacniania zarówno dodatnich jak i
ujemnych półokresów napięcia sinusoidalnego. P
Przy półokresie dodatnim tranzystor moŜe osiągnąć stan nasycenia i w konsekwencji
napięcie wyjściowe spadnie do 0,2 V. Przy półokresie ujemnym tranzystor zacznie się
przytykać a napięcie na wyjściu zbliŜy się do napięcia zasilania. Wartość rezystancji R
b1
oraz
R
b2
powinna być tak dobrana, by R
b1
=10R
b2
. Na wykresach przedstawione są przebiegi napięć
wejściowych i wyjściowych. Kondensatory C
1
i C
2
mają za zadanie separację składowej stałej
sygnałów wejściowego i wyjściowego.
JeŜeli na bazę zostanie podany zbyt wysoki sygnał, na wyjściu otrzymamy sygnał
zniekształcony (obcięte wierzchołki sinusoidy). Jest to konsekwencją przesterowania
tranzystora, pojawiają się stany całkowitego zatkania oraz nasycenia tranzystora, w których
nie jest on wysterowany i zmiany na wejściu nie wywołują zmian na wyjściu.
t [ms]
Uwe [mV]
0,2
Uz
Uwy [V]
t [ms]
Rys. 11. Wykres przebiegów napięcia wejściowego i wyjściowego w funkcji czasu
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
7
Schemat wzmacniacza tranzystorowego w układzie WE (tranzystor NPN)
Rys. 12. Schemat wzmacniacza w układzie WE
Analiza graficzna wzmacniacza tranzystorowego w układzie WE
Wykonanie ćwiczenia (dla tranzystora NPN)
1.
Połączyć kolektor C z wyjściem wspólnym OUT1 (czerwony) i rezystorem R
C
(10 kΩ).
2.
Połączyć emiter E z wyjściem wspólnym OUT3 (biały) oraz rezystorem R
E
(1 kΩ).
3.
Połączyć bazę B z wejściem wspólnym (zielonym). Połączyć rezystor 10 kΩ IN1 z
gniazdem RCA (chinch) po lewej stronie.
4.
Połączyć wyjście OUT2 z gniazdem RCA (chinch) po prawej stronie.
5.
Połączyć za pomocą kabla 3xRCA kanały oscyloskopu z gniazdami RCA i wyjściem
generatora funkcyjnego OUT 50 Ω. (końcówki zielona i niebieska podłączone poprzez
rozdzielacz do kanału 1 oscyloskopu, końcówka czerwona do kanału 2. Drugi koniec
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego
8
kabla: końcówka zielona podłączona do generatora, końcówka niebieska do gniazda
RCA wejściowego, końcówka czerwona do gniazda RCA wyjściowego).
6.
Ustawić na generatorze funkcyjnym częstotliwość 500 Hz i uaktywnić wyjście sygnału
sinusoidalnego. Pokrętło amplitudy ustawić na minimum.
7.
Uruchomić oscyloskop, ustawić przełącznik kanałów na Kanał 1. Pokrętłem ustawić
sygnał odniesienia na poziomie 2 kratki od góry ekranu oscyloskopu. Ustawić
wzmocnienie kanału na 0,5 V, a sprzęŜenie sygnału na AC.
8.
Stopniowo zwiększać amplitudę sygnału na generatorze tak, aby był widoczny
przebieg sinusoidalny o amplitudzie na poziomie 1 kratki ekranu oscyloskopu.
Ustawić pokrętło podstawy czasu na oscyloskopie na 0,5 ms.
9.
Włączyć zasilacz na 12 V i połączyć z gniazdem zasilającym stanowiska.
10.
Ustawić przełącznik kanałów na Kanał 2 i pokrętłem ustawić sygnał odniesienia na
poziomie 3 kratki od dołu ekranu oscyloskopu. Ustawić wstępnie wzmocnienie kanału
na 1 V a sprzęŜenie na AC.
11.
Przestawić przełącznik kanałów na tryb DUAL (obserwacja dwóch kanałów).
12.
Stopniowo zwiększać amplitudę sygnału na generatorze i obserwować przebiegi na
oscyloskopie. Odczytać amplitudy sygnałów na obu kanałach. Przerysować
przykładowy przebieg. Wyciągnąć wnioski z obserwacji.
13.
Ustawić pokrętło amplitudy na minimum.
14.
Odłączyć wejście IN1 od gniazda RCA.
15.
Kanał 2 oscyloskopu podłączyć do wyjścia OUT1, ustawić sprzęŜenie sygnału na
GND a wzmocnienie na 2 V, pokrętłem ustawić sygnał odniesienia (zwarcie do GND)
na poziomie 1 kratki od dołu. Ponownie ustawić sprzęŜenie na DC.
16.
Odczytać poziom napięcia na zacisku kolektora. Podłączyć zasilanie bazy B poprzez
rezystor 67 kΩ do zasilania +V, odczytać poziom napięcia, podłączyć rezystor
10,8 kΩ do gniazda Common, odczytać i zanotować poziom napięcia.
17.
Ustawić tłumienie sygnału na generatorze na 20
dB (przycisk Attenuation). Podłączyć
sygnał z gniazda RCA z wejściem IN1.
18.
Ustawić wzmocnienie kanału 1 na 20 mV a kanału 2 na 0,2 V, przestawić sprzęŜenie
kanału 2 na AC.
19.
Stopniowo zwiększać amplitudę sygnału zasilającego tak, aby widoczne były dwa
przebiegi sinusoidalne. Odczytać amplitudy sygnałów i przerysować przebiegi.
20.
Zwiększyć amplitudę sygnału tak, aby przebieg na wyjściu nie był sinusoidalny.
Odczytać amplitudy sygnałów i przerysować przebiegi. Wyciągnąć wnioski.
21.
Wykonać pomiary do wyznaczenia:
Charakterystyka dynamiczna wzmacniacza dla f=500 Hz
U
wej
[mV]
1
2
3
5
10
12
14
20
50
70
100
U
wyj
[V]
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza
f [Hz]
5
10
50
100
500 1000 10k
50k
80k 100k 150k 175k
U
wy
[V]
U
we
[V] 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
K
u
Logf
20logK
u
Wyznaczyć pasmo przenoszenia wzmacniacza B
f
.