Вежба 17 Kарактеристикa транзистора

Transcript

1 Вежба 17 Kарактеристикa транзистора Увод Проналазак транзистора означава почетак нове ере у електроници. Проналазачи транзистора Бардин (Bardeen), Братеин (Brattain) и Шокли (Shockley) су за своје откриће добили Нобелову награду, што довољно говори о значају ове компоненте. Транзистор је најважнији полупроводнички елемент и представља основу за израду појачавача, дигиталних кола, осцилатора итд Постоји више начина реализације: транзистори са тачкастим спојем, слојни биполарни транзистори, транзистори са ефектом поља (FET и MOSFET) и друге. У оквиру ове вежбе проучаваће се карактеристика слојног биполарног транзистора. Носиоци наелектрисања су електрони и шупљине. По структури транзистор садржи два PN споја. Разликују се PNP транзистор код кога је N тип полупроводника формиран између два P типа (слика 1) и NPN транзистор код кога је P тип полупроводника формиран између два N типа. B B E pnp Слика 1 Слика 2 E npn Симболи PNP и NPN транзистора приказани су на слици 2. Транзистор има три приључка: емитор (Е), базу (B) и колектор (). Средњи слој транзистора зове се база, а спољни су емитор и колектор. Спојеви емитор-база и база-колектор образују два PN споја, емиторски и колекторски. PN спој може бити директно поларисан, тако да је P тип полупроводника на вишем потенцијалу од полупроводника N типа, или инверзно поларисан, када је N тип полупроводника на вишем потенцијалу од полупроводника P типа. У зависности од тога како се изврши поларизација спојева транзистор ће радити у одговарајућем режиму (табела 1). Табела 1 PN спој база-колектор директно инверзно инверзан активан режим непроводно стање област засићења директан активан режим инверзно директно PN спој база-емитор ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 1/9

2 Режим рада транзистора који се најчешће користи и који се проучава у овој вежби јесте директан активан режим. Транзистор се налази у директном активном режиму када се спој емитор-база поларише директно, а спој база-колектор инверзно. PN спој емитор-база се директно поларише преко извора U BE, а PN спој база-колектор инверзно преко извора U E (слика 3). Када се транзистор прикључи на ове изворе за поларизацију, кроз спој емитор-база струја тече у смеру стрелице на симболу транзистора (слика 2). Слика 3 Транзистор има велику практичну примену. Основни начин употребе транзистора је управо његово коришћење у директном активном режиму, у коме се помоћу малог улазног напона између базе и емитора, oдносно мале струје базе, управља знатно већом излазном струјом која тече кроз колектор транзистора. Пошто је тада јачина струје кроз колектор много већа од јачине струје кроз базу, а јасно је да важи I E = I + I B, то се може сматрати да је јачина струје емитора приближно једнака јачини струје колектора. Транзистор карактеришу улазна, преносна и излазна карактеристика. Улазна карактеристика транзистора представља зависност јачине струје базе од напона база-емитор, I B =f(u BE ), за константну јачину струје колектора, док је излазна карактеристика зависност јачине струје колектора од напона колектор-емитор, I =f(u E ), при константној јачини струје базе (слика 4). Слика 4 За снимање ових карактеристика може се користи се коло са транзистором у споју са заједничким емитором, дато на слици 5, које ће бити коришћено и у овој вежби. ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 2/9

3 Слика 5 Карактеристике транзистора одређене су скупом параметара. Вредности ових параметара се добијају од произвођача, али их је могуће и експериментално одредити. Jедна од најважнијих карактеристика транзистора јесте његово струјно појачање β. Оно је приближно једнако параметру h FE који дају произвођачи транзистора. Струјно појачање се рачуна по следећој формули: β =. (1) B Снага која се у виду топлоте ослобађа на транзистору је такође битна карактеристика. Произвођачи дају максималну вредност снаге (P D снага дисипације) која се може у виду топлоте ослободити на транзистору а да не дође до његовог прегревања и оштећења. Снага дисипације P D рачуна се као производ јачине струје колектора и напона колектор-емитор: Однос P D = I U E. (2) R ΔU E i = (3) представља излазну отпорност транзистора. Овај однос је такође могуће експериментално одредити. За транзистор B182 који се користи у овој вежби максимална снага дисипације P D је приближно 350mW. Декларисано струјно појачање β при колекторској струји I од 2mA и колекторском напону U од 5V може бити у распону од 40 до 500. Задатак У овој вежби се проучава понашање транзистора у колу са заједничким емитором, када транзистор ради у директном активном режиму. Задатак је снимити излазну карактеристику транзистора, односно зависност I (U E ), за различите вредности јачине струје базе I B. 1. Снимити излазну карактеристику транзистора I (U E ) одржавајући константну јачину струје базе I B користећи транзистор у споју са заједничким емитором (слика 5). ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 3/9

4 2. Поновити поступак снимања излазне карактериснике за неколико различиитих јачина струје базе. 3. Tабеларне резултате мерења представити на једном графику I (U E ) који ће садржати онолико кривих за колико је различитих јачина струје базе сниљена излазна карактеристика транзистора (највише 8). 4. Одредити струјно појачање β. 5. Одредити снагу која се ослобађа на транзистору за U E =1V и максималну снимљену јачину струје базе. Да ли је ова вредност мања од максимално дозвољене вредности коју даје произвођач за овај транзистор (300mW)? 6. Одредити излазну отпорност транзистора за минималну снимљену јачину струје базе кад се напон U E мења од 1V до 3V. Прибор За извођење ове вежбе потребно је следеће: 1. основна плоча комплета ŠKOLIE I01 са USB каблом 2. NPN транзистор B отпорници 100kΩ и 200Ω 4. 1 краткоспојник 5. 6 црвених и 4 црна кабла Упутство Повезати комплет са рачунаром помоћу USB кабла. Формирати електрично коло као на слици 6: Поставити NPN транзистор, отпорнике R 1 (100kΩ) и R 2 (200Ω) и крактоспојник. Дефинисати мерне инструменте поставити преклопник за канал AI0 на μa (канал ради као микроамперметар, мери се јачина струје I B која протиче кроз базу), преклопнике за канал AI1 и AI2 поставити на V (канали раде као волтметри, мери се напон између базе и емитора U BE и напон између колектора и емитора U E ) и преклопник за канал AI3 поставити на ma (канал ради као милиамперметар, мери се јачина струје I кроз колектор). Повезати кабловима инструменте са мерним тачкама канале AI0 и AI3 који мере јачине струје I B и I повезати редно на базу, односно колектор транзистора, а канале AI1 и AI2 који мере напоне U BE и U E паралелно одговарајућим прикључним тачкама транзистора. Затворити електрично коло повезивањем извора једносмерног напона са канала AО 0 и AО 1 (напон U B са слике 5 одговара напону између аналогног излаза AО 0 и масе GND, док напон U са исте слике одговара напону између аналогног излаза AО 1 и масе GND). ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 4/9

5 Слика 6 На овај начин добијено је коло са слике 5 које је спремно за мерење. Покретањем одговарајућег виртуелног инструмента може се започети мерење. На слици 7 дат је изглед виртуелног инструмента који се користи за снимање излазне карактеристике транзистора. Излазна карактеристика транзистора I (U E ) се снима при константној вредности јачине струје базе I B. Напон U E ће се мењати помоћу напонског извора обележеног са U везаног са колекторске стране. Пошто се променом напона U E мења и јачина струје базе, потребно је да се променом напона на напонском извору U B, везаног према бази, подеси да јачина струје базе има приближно константну вредност. Дакле, ако се при промени напона U E промени јачина струје базе, потребно ју је вратити на првобитно задату вредност променом напона U B. Мерење је потребно вршити за највише пет различитих јачина струје базе. Најпре треба укључити напонске изворе. Затим је потребно подесити јачину струје базе I B на неку вредност (препоручује се 4μА) помоћу промене напонског извора U B. Напон U E оставити на 0V. ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 5/9

6 Слика 7 Притиском на тастер Zapamti vrednosti унети тренутне измерене вредности у табеле, које се при томе аутоматски појављују и на графицима I B (U BE ) и I (U E ). Треба напоменути да други од ових графика представља излазну карактеристику транзистора, док први служи за проверу да ли је јачина струје базе одржавана константном. Затим је потребно променити напон U E на око 0,5V да би се променила вредност напона U E. Међутим, тиме се мења и јачина струје базе I B, па ју је, уколико се она значајно променила, потребно вратити на подешену константну вредност. То је могуће извршити променом напона извора U B. Фино подешавање овог напона могуће је постићи притискањем стрелица које се налазе поред дигиталног дисплеја на извору, у његовом горњем десном углу. Затим је потребно унети нове вредности мерења. Променом напона извора U за око 0,5V и сталним подешавањем јачине струје базе помоћу напона извора U B наставити уношење вредности мерења у табелу и график. По уносу последње вредности мерења (за напон U =4V) потребно je променом напона извора U вратити напон U E у околину прегиба криве I (U E ) на графику (око 0,2V), поново подесити јачину струје базе променом напона извора U B и уношењем још неколико вредности у oвој околини прецизније приказати сам прегиб, као на слици 8. Када се заврши мерење за прву вредност јачине струје базе, кликом на тастер Nova kriva започиње се мерење за следећу вредност јачине струје базе. Поступак се понавља за пет различитих вредности јачина струје базе (препоручене вредности су 4, 8, 12, 16 и 20μА) и тако се добија пет кривих на графику I (U E ). ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 6/9

7 Слика 8 За брисање унетих резултата мерења потребно је притиснути дугме Obrisi merenje, при чему ће се појавити сигурносно питање: Да ли сте сигурни да желите да oбришете запамћене вредности за све криве? Потврдом тастер Da сва унешена мерења ће бити избрисана. Избором тастер Ne одустаје се од брисања вредности. Обратити пажњу да након притиска тастера Nova kriva, није могуће вратити се на унос вредности за претходне криве и евентуално извршити додатна мерења на њима, као што је то био случај у неким претходним вежбама. Могуће је само, као што је већ поменуто, обрисати сва мерења и вежбу радити из почетка. Координате тачака са графика се виде постављањем курсора на жељену тачку. Курсор се појављује притиском на дугме Prikazi kursor које тада промени стање у Sakrij kursor. Поновним притиском курсор ће се изгубити. Померање курсора се врши превлачењем миша. Све унете вредности су смештене у табелу и могу се видети у било ком тренутку. Притиском на дугме Zavrsi vezbu завршава се мерење, затвара вежба и покреће генерисање извештаја. ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 7/9

8 Приказивање резултата и обрада података Тренутне вредности јачина струје и напона виде се на виртуелним амперметрима и волтметрима који су повезани у коло. Вредности које су унете током мерења налазе се у табелама на основу којих су нацртани графици I B (U BE ) и I (U E ) (слика 9). Слика 9 Први график приказује вредности јачина струје базе које су одржаване константним током мерења и он говори да ли је мерење било исправно или не. На другом графику су приказане криве излазне карактеристике транзистора, на основу којих се израчунавају неки од параметара транзистора. Струјно појачање β одређује се са графика излазне карактеристике. На слици 10 је као пример дата излазна карактеристика добијена мерењем. Посматрати излазне карактеристике транзистора I (U E ) које одговарају најмањој и највећој вредности јачине струје базе за које су снимљене, I B1 и I B2 (слика 10). Са тих графика одредити јачине струја колектора I 1 и I 2 које одговарају напону U E =1V. Дакле, ако се јачина струје базе промени за B = I B2 - I B1, јачина струје колектора ће се променити за = I 2 - I 1. ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 8/9

9 Слика 10 С тога се струјно појачање транзистора одређује помоћу једначине (4): β =. (4) B Oдредити снагу која се ослобађала на транзистору при U E =1V за излазну карактеристику која одговара највећој снимљеној јачини струје базе (I B2 са слике 10). Потребно је са графика очитати вредност јачине струје за U E =1V и очитану вредност помножити за задатим напоном U E P D = I U E. (5) Одредити излазну отпорност транзистора при промени напона U E од 1V до 3V за излазну карактеристику која одговара најмањој снимљеној јачини струје базе (I B1 са слике 10). Потребно је са графика очитати за колико се променила јачина струје I за ове две вредности напона U E и том вредношћу поделити вредност одговарајућу промену напона U E, по једначини (6): R ΔU E i =. (6) Закључак На основу резултата мерења и резултата обраде података уочавају се карактеристике транзистора на којима се зансива рад готово свих данашњих електронских уређаја. Показано је да је струјно појачање транзистора врло велико, реда неколико стотина, иако произвођачи не могу са битном прецизношћу да издвоје овај параметар. ŠKOLIE I01 ВЕЖБА 17 КАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА страна 9/9