LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Ćwiczenie - 2

Tranzystor bipolarny i jego układy pracy

Spis treści

1

Cel ćwiczenia

2

2

Podstawy teoretyczne

3

2.1

Tranzystor bipolarny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1.1

Charakterystyki statyczne tranzystora npn . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2

Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.3

Wzmacniacz w układzie wspólnego kolektora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.3.1

Ustalanie punktu pracy wzmacniacza w układzie WK . . . . . . . . . . .

7

2.4

Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.4.1

Ustalanie punktu pracy tranzystora w układzie WE . . . . . . . . . . . .

9

3

Przebieg ćwiczenia

10

3.1

Wyznaczenie charakterystyk statycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.1.1

Charakterystyka wejściowa i przejściowa . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.1.2

Charakterystyka wyjściowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

3.2

Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WE . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.1

Wyznaczenie charakterystyki U

wy

= f (U

we

) wzmacniacza w układzie WE

12

3.2.2

Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WE . . . . . . . . . . . .

12

3.2.3

Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WE

. . .

13

3.3

Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WK

. . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.3.1

Wyznaczenie charakterystyki U

wy

= f (U

we

) wzmacniacza w układzie WK

14

3.3.2

Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WK . . . . . . . . . . . .

14

3.3.3

Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WK . . .

15

4

Sprawozdanie

16

5

Niezbędne wyposażenie

16

6

Przykładowe pytania kontrolne

17

Protokół

19

Wyniki pomiarów i obliczeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Przykładowe obliczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

Charakterystyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

1

Cel ćwiczenia

• Poznanie właściwości tranzystora bipolarnego.

• Zbudowanie i zbadanie wzmacniaczy tranzystorowych w układzie wspólny kolektor i wspólny

emiter.

2

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

2

Podstawy teoretyczne

2.1

Tranzystor bipolarny

Tranzystor jest elementem o trzech zaciskach: C - kolektor, B - baza i E - emiter. Tranzys-
tor bipolarny występuje w dwóch odmianach npn i pnp. Poniższe rozważania obowiązują dla
tranzystorów npn. Przy rozpatrywaniu tranzystorów pnp wszystkie napięcia i prądy zmieniają
znak.

B

C

E

npn

B

C

E

pnp

Rysunek 1: Symbol tranzystora npn i pnp

Dla tranzystora npn obowiązują następujące reguły:

• potencjał kolektora musi być większy od potencjału emitera,

• obwody baza-emiter i baza-kolektor zachowują się jak diody, w warunkach normalnej pracy

złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor w
kierunku zaporowym,

E

C

B

npn

C

E

B

pnp

Rysunek 2: Interpretacja złącza baza-emiter i baza kolektor tranzystora npn i pnp

• każdy tranzystor charakteryzuje się wartościami maksymalnymi prądów i napięć I

Cmax

,

I

Bmax

, U

CEmax

, przekroczenie których prowadzi do uszkodzenia. Ograniczeniem również

jest moc strat na tranzystorze P

max

, temperatura złącza oraz napięcie U

BEmax

.

• jeśli spełnione są powyższe warunki prąd bazy steruje prądem kolektora i w przybliżeniu

prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy:

I

C

= βI

B

= h

F E

I

B

,

gdzie β lub h

F E

nazywamy wzmocnieniem prądowym, typowe tranzystory małej mocy mają

wzmocnienie powyżej 100.

3

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Gdy prądu bazy I

B

w układzie na rysunku 3 równa się 0, to tranzystor jest w stanie zatka-

nia. Wówczas prąd kolektora nie płynie (I

C

= 0), napięcie U

CE

= U .

I

C

R = 1kΩ

I

E

I

B

β = 100

U = 10V

I

E

= I

C

+ I

B

U

CE

U

R

Rysunek 3

Gdy w układzie na rysunku 3 prąd bazy wzrośnie do wartości I

B

= 10µA, wówczas:

- prąd kolektora: I

C

= βI

B

= 100 · 10 · 10

−6

= 10

−3

A = 1mA,

- napięcie na rezystorze R: U

R

= I

C

R = 10

−3

· 10

3

= 1V ,

- napięcie kolektor-emiter: U

CE

= U − U

R

= 10 − 1 = 9V .

Dla prądu bazy I

B

= 50µA otrzymamy następujące wartości:

- prąd kolektora: I

C

= βI

B

= 100 · 50 · 10

−6

= 5 · 10

−3

A = 5mA,

- napięcie na rezystorze R: U

R

= I

C

R = 5 · 10

−3

· 10

3

= 5V ,

- napięcie kolektor-emiter: U

CE

= U − U

R

= 10 − 5 = 5V .

Dla prądu bazy I

B

= 90µA otrzymamy następujące wartości:

- prąd kolektora: I

C

= βI

B

= 100 · 90 · 10

−6

= 9 · 10

−3

A = 9mA,

- napięcie na rezystorze R: U

R

= I

C

R = 9 · 10

−3

· 10

3

= 9V ,

- napięcie kolektor-emiter: U

CE

= U − U

R

= 10 − 9 = 1V .

Przyjmując prąd I

B

= 100µA teoretycznie otrzymamy następujące wartości: I

C

= 10mA,

U

R

= 10V i U

CE

= 0V . Tranzystor będzie w pełni otwarty. Praktycznie gdy tranzystor prze-

wodzi napięcie kolektor-emiter nie może osiągnąć wartości zerowej. Minimalna wartość napięcia
kolektor-emiter wynosi U

CE sat

≈ 0, 2V . Zatem dla układu z rysunku 3 gdy prąd I

B

≥ 10µA to

U

CE

= U

CE sat

≈ 0, 2V , U

R

= U − U

CE

= 10 − 0, 2 = 9, 8V i I

C

= I

R

=

U

R

R

=

9,8

10

3

= 9, 8mA.

Dalszy wzrost prądu bazy nie spowoduje wzrostu prądu kolektora, ponieważ maksymalny prąd
kolektora ograniczony jest przez rezystor R.

Stan w którym prąd kolektora jest proporcjonalny do prądu bazy nazywamy stanem akty-

wnym (prąd kolektora jest β razy większy od prądu bazy). W stanie aktywnym mały prąd
bazy steruje znacznie większym prądem kolektora.

Stan w którym prąd bazy jest na tyle duży, że obwód kolektora nie jest w stanie dostar-

czyć prądu β razy większego od prądu bazy nazywamy stanem nasycenia. Wartość napięcia
nasycenia (U

CE sat

) wynosi około 0, 2V , prąd kolektora ograniczony jest przez rezystor R.

Ponadto możemy wyróżnić również stan aktywny inwersyjny, w którym złącze baza-

emiter spolaryzowane jest w kierunku zaporowym a złącze baza-kolektor w kierunku prze-
wodzenia.

4

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

E

I

E

I

C

C

I

B

B

npn

U

CE

U

BE

U

BC

Rysunek 4:

Oznaczenie kierunków

prądów i napięć tranzystora npn

Podsumowując tranzystor bipolarny może znaj-

dować się w jednym z czterech stanów:

• stan zatkania (odcięcia) - złącze BE i BC

spolaryzowane są w kierunku zaporowym, tzn.
U

BE

≤ 0, U

BC

< 0, I

B

= 0, I

C

= 0,

• stan nasycenia - złącze BE i CB spolaryzowane

są w kierunku przewodzenia, tzn.

U

BE

> 0,

U

BC

> 0, I

B

6= 0, I

C

6= 0,

• stan aktywny - złącze BE spolaryzowane w

kierunku przewodzenia, złącze BC spolaryzowane
zaporowo, tzn. U

BE

> 0, U

BC

< 0, I

C

= βI

B

,

• stan aktywny inwersyjny - złącze BE spo-

laryzowane zaporowo, złącze BC spolaryzowane w
kierunku przewodzenia, tzn. U

BE

< 0, U

BC

> 0.

Wykorzystanie tranzystora bipolarnego w układach elektronicznych:

• stan aktywny - jest podstawowym stanem pracy tranzystora wykorzystywanym we wz-

macniaczach,

• stan nasycenia i odcięcia - stosowane są w technice impulsowej oraz układach cyfrowych,

• stan aktywny inwersyjny jest rzadko stosowany, ponieważ tranzystor charakteryzuje

się gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym.

2.1.1

Charakterystyki statyczne tranzystora npn

Rysunek 5: Charakterystyki wyjściowe tranzys-
tora BC546

Wyróżniamy następujące charakterystyki staty-
czne tranzystora bipolarnego:

• charakterystyka wejściowa -

I

B

= f (U

BE

) przy U

CE

= const,

• charakterystyka przejściowa -

I

C

= f (I

B

) przy U

CE

= const,

• charakterystyka wyjściowa -

I

C

= f (U

CE

) przy I

B

= const.

5

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

2.2

Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego

Podstawowymi układami pracy tranzystora bipolarnego są wzmacniacze: wzmacniacz w układzie
wspólnego kolektorze i wzmacniacz w układzie wspólnego emitera. Przy czym wzmacniacz jest
to układ, w którym energia z zasilacza jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego, gdzie
sygnał wyjściowy jest funkcją sygnału wejściowego.

2.3

Wzmacniacz w układzie wspólnego kolektora

Wzmacniacz z rysunku 6 w układzie wspólnego kolektora (WK) nazywany również wtórnikiem
emiterowym. Wyjściem układu jest emiter tranzystora. Napięcie na wyjściu jest równe napięciu
wejściowemu (na bazie) pomniejszonemu o spadek napięcie na złączu baza-emiter (spadek na
przewodzącej diodzie) zatem:

U

wy

= U

E

= U

B

− U

BE

≈ U

we

− 0, 6[V ]

Gdy napięcie na wejściu jest mniejsze od 0, 6 to na pięcie na wyjściu jest 0. Prąd emitera:

I

E

=

U

E

R

E

=

U

we

− 0, 6

R

E

Ponadto:

I

E

= I

C

+ I

B

i

I

C

= βI

B

⇒

I

E

= βI

B

+ I

B

= I

B

(β + 1)

⇒

I

B

=

I

E

β + 1

Wzmacniacz w układzie WK nie wzmacnia napięcia ale wzmacnia prąd, czyli jest wzmacniaczem
mocy.

β = h

F E

R

E

I

E

I

C

U

I

B

U

wy

U

we

U

E

U

BE

Rysunek 6: Wzmacniacz o wspólnym kolektorze

Jest to układ z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Po podaniu napięcia na wejście tranzys-

tor się otwiera, zaczyna płynąć prąd kolektora i emitera. Pojawia się napięcia U

E

a przez co

napięcie U

BE

maleje i ustala się na poziomie przy którym spełnione jest równanie:

U

BE

= U

we

− I

B

(β + 1)R

E

.

W wzmacniaczu z rezystorem R

E

w obwodzie emitera występuje prądowe ujemne sprzężenie

zwrotne.

6

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

2.3.1

Ustalanie punktu pracy wzmacniacza w układzie WK

Należy ustalić spoczynkowy punkt pracy wtórnika tak aby prąd kolektora płynął zawsze dla
założonego zakresu sygnału wejściowego oraz aby nie została przekroczona dopuszczalna moc
strat na tranzystorze. Spoczynkowy punkt pracy dobiera się przy założeniu zerowego napięcia
wejściowego. W celu ustalenia spoczynkowego punktu pracy najprostszym rozwiązaniem jest
zastosowanie dzielnika rezystancyjnego - rysunek 7.

R

1

I

R

1

R

2

I

R

2

β = h

F E

R

E

I

E

I

C

U

C

2

C

1

U

wy

(t)

U

we

(t)

U

E

U

BE

Rysunek 7: Wzmacniacz w układzie WK ze sprzężeniem pojemnościowym i dzielnikiem rezys-
tancyjnym ustalającym punkt pracy

Rezystory R

1

i R

2

najczęściej dobiera się w taki sposób aby przy braku napięcia wejściowego,

napięcie na emiterze równało się połowie napięcia zasilania czyli U

E

=

U

2

. Ponadto wiadomo, że

U

B

= U

E

+ U

BE

= U

E

+ 0, 6, zatem U

R

2

= U

B

= U

E

+ 0, 6 =

U

2

+ 0, 6.

Rezystory dobieramy w taki sposób aby prąd płynący przez dzielnik był o kilka rzędów

większy od prądu bazy, wtedy prąd bazy nie będzie wpływał w znaczny sposób na rozkład
napięć na dzielniku. Zatem pomijając prąd bazy otrzymujemy:

I

R

1

= I

R

2

=

U

R

1

+ R

2

i

I

R

2

=

U

R

2

R

2

=

U

2

+ 0, 6

R

2

Z powyższego otrzymujemy:

R

1

= R

2

U

2

− 0, 6

U

2

+ 0, 6

Kondensator C

1

tworzy wraz z równoległym połączeniem rezystancji R

1

, R

2

i rezystancji widzianej

z zacisku bazy w stronę tranzystora czyli βR

E

filtr górnoprzepustowy. Kondensator C

2

tworzy

filtr górnoprzepustowy z nieznaną rezystancja obciążenia, założyć można że rezystancja obciąże-
nia nie powinna być mniejsza od R

E

. Częstotliwość graniczna powyższych filtrów powinna być

mniejsza od najmniejszej częstotliwości sygnału wejściowego - f

min

, zatem otrzymujemy następu-

jące warunki na podstawie których można dobrać pojemności:

1

2π(R

1

k R

2

k βR

E

)f

min

≤ C

1

i

1

2πR

E

f

min

≤ C

2

.

7

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

2.4

Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera

Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera (WE) przedstawiono na rysunku 8, jest to układ w
którym wyjściem jest kolektor tranzystora.

R

C

U

U

wy

U

we

(a) układ z uziemionym emiterem

R

E

R

C

U

U

wy

U

we

U

C

U

E

U

CE

U

R

C

(b) układ z emiterowym sprzężeniem zwrotnym

Rysunek 8: Wzmacniacz w układzie wspólnego emitera

Rozważmy układ z rysunku 8b z emiterowym sprzężeniem zwrotnym. Po podaniu napięcia na

wejście U

we

= U

we1

otrzymujemy U

E

= U

we1

− U

BE

≈ U

we1

− 0, 6, ponadto I

E

=

U

E

R

E

≈

U

we1

−0,6

R

E

.

Ze względu na to, że wzmocnienie prądowe tranzystora jest stosunkowo duże można przyjąć
że I

C

≈ I

E

i wyznaczyć U

R

C

= I

C

R

C

≈

U

we1

−0,6

R

E

R

C

. Znając napięcie na rezystorze kolektora

wyznaczyć można napięcie na wyjściu U

wy1

= U − U

R

C

≈ U −

U

we1

−0,6

R

E

R

C

.

Gdy napięcie na wejściu równa się U

we2

= U

we1

+ ∆U

we

na wyjściu otrzymujemy U

wy2

≈

U −

U

we2

−0,6

R

E

R

C

= U −

U

we1

+∆U

we

−0,6

R

E

R

C

.

Wyznaczy dalej wzmocnienie napięciowe:

K

u

=

∆U

wy

∆U

we

=

U

wy2

− U

wy1

U

we2

− U

we1

=

U −

U

we1

+∆U

we

−0,6

R

E

R

C

−



U −

U

we1

−0,6

R

E

R

C



U

we1

+ ∆U

we

− U

we1

= −

R

C

R

E

Z powyższego wynika, że układ ten jest wzmacniaczem napięcia. Znak minus oznacza, że do-
datnia zmiana napięcia na wejściu powoduje ujemną

R

C

R

E

- krotną zmianę napięcia na wyjściu.

Układ z rysunku 8a otrzymujemy w przypadku gdy w układzie z rysunku 8b rezystancja

emitera R

E

dąży do zera. Zgodnie z powyższymi rozważaniami wzmocnienie napięciowe K

u

=

−

R

C

R

E

. Zatem gdy R

E

dąży do zera wzmocnienie teoretycznie dąży do nieskończoności. Jednak

w rzeczywistości w przypadku gdy R

E

= 0 wzmocnienie napięciowe wynosi K

u

= −

R

C

r

e

, gdzie r

e

jest nieznaną rezystancją emitera.

8

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

2.4.1

Ustalanie punktu pracy tranzystora w układzie WE

Na początku dobieramy spoczynkowy prąd kolektora, tak aby dla założonego zakresu napięć na
wejściu moc strat na tranzystorze nie przekraczała mocy maksymalnej. Mając prąd spoczynkowy
kolektora oraz przyjmując napięcie na wyjściu przy braku napięcia na wejściu dobieramy wartość
rezystora kolektorowego R

C

. Następnie z założonego wzmocnienia dobieramy rezystor emiterowy

R

E

.

R

1

I

R

1

R

2

I

R

2

R

E

I

E

I

C

R

C

U

C

2

C

1

U

wy

(t)

U

we

(t)

U

E

U

CE

U

R

C

U

BE

Rysunek 9: Wzmacniacz w układzie WE ze sprzężeniem pojemnościowym i dzielnikiem rezys-
tancyjnym ustalającym punkt pracy

Czyli rezystory R

C

i R

E

dobieramy w taki sposób aby uzyskać założone wzmocnienie napię-

ciowe oraz w taki sposób aby dla założonego zakresu amplitudy napięcia wejściowego moc strat
na tranzystorze nie przekraczała mocy maksymalnej. Rezystory R

1

i R

2

najczęściej dobiera się

w taki sposób aby przy braku napięcia wejściowego, na kolektorze napięcie równało się połowie
napięcia zasilania czyli U

C

=

U

2

. Zatem gdy U

C

=

U

2

napięcie na rezystorze kolektorowym U

R

C

=

U

2

, prąd kolektora I

C

=

U

2

R

C

. Ze względu na duże wzmocnienie prądowe tranzystora przyjmujemy

I

E

≈ I

C

. Napięcie na rezystorze R

2

wynosi U

R

2

= U

E

+ U

BE

= I

E

R

E

+ U

BE

≈

U

2

R

C

R

E

+ 0, 6.

Pomijając prąd bazy otrzymujemy

U

R

1

+R

2

=

U

R2

R

2

. Z ostatniego równania otrzymujemy stosunek

rezystancji dzielnika.

Kondensator C

1

wybieramy tak, aby częstotliwość graniczna filtru utworzonego z niego i

równoległego połączenia rezystorów ustalających punk pracy tranzystora była mniejsza od na-
jmniejszej częstotliwości f

min

sygnału wejściowego, czyli:

C

1

≥

1

2π(R

1

k R

2

)f

min

Podobnie dobieramy kondensator C

2

C

2

≥

1

2πR

obc

f

min

gdzie R

obc

jest nieznaną rezystancją obciążenia.

9

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

3

Przebieg ćwiczenia

W celu wykonania pomiarów wykorzystać płytkę E3.

3.1

Wyznaczenie charakterystyk statycznych

3.1.1

Charakterystyka wejściowa i przejściowa

Połączyć układ jak na rysunku 10

i

. Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić ograniczenie

prądu na I

CH1max

= 100mA oraz napięcie zasilania U

+15

≈ 15V tak aby U

CE

≈ 3V .

Zmieniając potencjometrem V R1 rezystancje w obwodzie emitera wykonać pomiary prądu

bazy I

B

, napięcia U

BE

oraz prądu kolektora I

C

przy stałym napięciu U

CE

≈ 3V . Pomiary

dokonać dla prądu bazy z zakresu od I

B

∈ (25µA, 250µA). Wyniki zapisać w tabeli 1 oraz

zaznaczyć na rysunku 21a.

R

E

=200Ω

V R1

BC546

A

I

C

U

+15

mA APPA 207

A

I

B

R

1

=1k

µA analogowy

R

2

=5k

V

APPA 62

V

APPA 62

zasilacz

GWInstek

-CH1+

-CH2+

U

+15

Rysunek 10: Układ pomiarowy

i

W układzie z rysunku 10 rezystory R

1

i R

2

ustalają napięcia bazy na U

B

=

R

2

R

1

+R

2

15 = 12, 5V . Następnie

przyjmując napięcie U

BE

= 0, 6V potencjał emitera wynosi U

E

= U

B

− U

BE

= 12, 5 − 0, 6 = 11, 9V . Natomiast

napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem wynosi U

CE

= 15 − U

E

= 15 − 11, 9 = 3, 1V . Zatem gdy tranzystor

jest w stanie aktywnym napięcie U

CE

jest stałe lub zmienia się w bardzo małym zakresie, dlatego układ ten

można wykorzystać do wyznaczania charakterystyki wejściowej i przejściowej.

10

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

3.1.2

Charakterystyka wyjściowa

Połączyć układ jak na rysunku 11.

Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie

zasilania U

+15

= 15V oraz ograniczenie prądu na I

CH1max

= 100mA.

UWAGA! - przed załączeniem układu: ustawić maksymalną rezystancje w obwodzie

kolektora - potencjometr VR2 (zaciski górne) skręcić w prawo oraz ustawić minimalny prąd
bazy - potencjometr źródła J skręcić w prawo.

Dla stałego prądu bazy, zmniejszając potencjometrem rezystancje w obwodzie kolektora

dokonać pomiaru prąd kolektora I

C

oraz napięcia U

CE

. Wykonać 3 charakterystyki dla następu-

jących prądów bazy:

• I

B1

= 25µA,

• I

B2

= 50µA,

• I

B3

= 75µA.

UWAGA! - przed zwiększeniem prądu bazy: ustawić maksymalną rezystancje w ob-

wodzie kolektora - VR2 (zaciski górne) skręcić w prawo.

UWAGA! - nie przekraczać: na kolektorze nie przekraczać napięcia

ii

.:

• U

CEmax

= 15V dla I

B1

= 25µA,

• U

CEmax

= 10V dla I

B1

= 50µA,

• U

CEmax

= 5V dla I

B1

= 75µA.

BC546

A

V R2

I

C

R

C

=100Ω

U

+15

mA

A

I

B

µA APPA 207

J

V

APPA 62

zasilacz

GWInstek

-CH1+

-CH2+

U

+15

Rysunek 11

Wyniki zapisać w tabeli 2 oraz zaznaczyć na rysunku 22.

ii

Ograniczenia wynikają z maksymalnej dopuszczalnej mocy strat na tranzystorze, przekroczenie tej

wartości powoduje uszkodzenie tranzystora.

11

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

3.2

Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WE

3.2.1

Wyznaczenie charakterystyki U

wy

= f (U

we

) wzmacniacza w układzie WE

Połączyć układ jak na rysunku 12.

Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie

zasilania U

+15

= 15V oraz ograniczenie prądu na I

CH1max

= 100mA. Zmieniając napięcie

wejściowe U

we

za pomocą potencjometru w zakresie U

we

∈ (0V ; 2, 5V ) zmierzyć napięcie na

wyjściu U

wy

. Wyniki zapisać w tabeli 3 oraz zaznaczyć na rysunku 23.

R

E

=100Ω

BC546

R

C

=1kΩ

U

+15

V

APPA

62

V

APPA

207

zasilacz

GWInstek

-CH1+

-CH2+

U

+15

U

wy

U

we

Rysunek 12

3.2.2

Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WE

β = h

F E

≈ 100

R

E

=100Ω

BC546

R

C

=1kΩ

U

+15

= 15V

C

2

R

1

R

2

C

1

u

wy

(t)

u

we

(t)

U

C

Rysunek 13

W układzie przedstawionym na rysunku 13
ustalić trzy spoczynkowe punkty pracy

iii

tranzystora tzn.

dobrać rezystory R1 i R2

tak aby przy braku sygnału wejściowego u

we

(t)

napięcie na kolektorze wynosiło:
- U

C1

= 3V ,

- U

C2

= 7, 5V ,

- U

C3

= 12V .

Parametry dobranych rezystorów zapisać w
tabeli 4.

iii

Podczas ustalania punktu pracy skorzystać z wyników uzyskanych w punkcie 3.2.1.

12

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

3.2.3

Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WE

Połączyć układ jak na rysunku 14. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie
U

we

= 0.6V i częstotliwości f = 1kHz. Zarejestrować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu

dla trzech punktów spoczynkowych z punktu 3.2.2 (różne konfiguracje rezystorów R

1

i R

2

). Na

podstawie otrzymanych przebiegów określić optymalny spoczynkowy punkt pracy pod względem
zakresu amplitudy sygnału wejściowego.

R

E

=100Ω

BC546

R

C

=1kΩ

U

+15

= 15V

C

2

= 1µF

R

1

R

2

C

1

= 1µF

u

wy

(t)

u

we

(t)

generator

NDN

OUT

oscyloskop

Tektronix

CH1 CH2

zasilacz

GWInstek

-CH1+

-CH2+

U

+15

Rysunek 14

Dla optymalnego punktu spoczynkowego w układzie z rysunku 14 wyznaczyć charakterystykę

amplitudową i fazową wzmacniacza WE. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o am-
plitudzie U

we

≈ 0.5V . Dokonać pomiaru napięcia międzyszczytowego 2U

we

na wejściu oraz

2U

wy

na wyjściu. Pomiary wykonać dla sygnałów o częstotliwości z zakresu od 0, 01kHz do

1M Hz. Obliczyć A =

U

wy

U

we

, A

dB

= 20 log

U

wy

U

we

oraz ϕ. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w

tabeli 5. Na rysunku 24 wykreślić charakterystykę amplitudową.

13

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

3.3

Badanie tranzystora bipolarnego w układzie WK

3.3.1

Wyznaczenie charakterystyki U

wy

= f (U

we

) wzmacniacza w układzie WK

Połączyć układ jak na rysunku 15.

Na kanale pierwszym zasilacza (CH1) ustawić napięcie

zasilania U

+15

= 15V oraz ograniczenie prądu na I

CH1max

= 100mA. Zmieniając napięcie

wejściowe U

we

za pomocą potencjometru w zakresie U

we

∈ (0V ; 15V ) zmierzyć napięcie na

wyjściu U

wy

. Wyniki zapisać w tabeli 6 oraz zaznaczyć na rysunku 25.

R

E

=1kΩ

BC546

U

+15

V

APPA

V

APPA

zasilacz

GWInstek

-CH1+

-CH2+

U

+15

U

wy

U

we

Rysunek 15

3.3.2

Ustalenie punktu pracy tranzystora w układzie WK

β = h

F E

≈ 100

BC546

U

+15

= 15V

C

2

R

E

=1kΩ

R

1

R

2

C

1

u

wy

(t)

u

we

(t)

U

E

Rysunek 16

W układzie przedstawionym na rysunku 16
ustalić trzy spoczynkowe punkty pracy

iv

tranzystora tzn.

dobrać rezystory R1 i R2

tak aby przy braku sygnału wejściowego u

we

(t)

napięcie na rezystorze emiterowym wynosiło:
- U

E1

= 4V ,

- U

E2

= 7.5V ,

- U

E3

= 12V .

Parametry dobranych rezystorów zapisać w
tabeli 7.

iv

Podczas ustalania punktu pracy skorzystać z wyników uzyskanych w punkcie 3.3.1.

14

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

3.3.3

Wyznaczenie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza WK

Połączyć układ jak na rysunku 17. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o amplitudzie
U

we

= 7.5V i częstotliwości f = 1kHz. Zarejestrować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu

dla trzech punktów spoczynkowych z punktu 3.3.2 (różne konfiguracje rezystora R1 i R2). Na
podstawie otrzymanych przebiegów określić optymalny spoczynkowy punkt pracy pod względem
zakresu amplitudy sygnału wejściowego.

BC546

U

+15

= 15V

C

2

=1µF

R

E

=1kΩ

R

1

R

2

C

1

=1µF

u

wy

(t)

u

we

(t)

generator

NDN

OUT

oscyloskop

Tektronix

CH1 CH2

zasilacz

GWInstek

-CH1+

-CH2+

U

+15

Rysunek 17

Dla optymalnego punktu spoczynkowego w układzie z rysunku 17 wyznaczyć charakterystykę

amplitudową i fazową wzmacniacza WK. Na wejście układu podać przebieg sinusoidalny o am-
plitudzie U

we

≈ 5V . Dokonać pomiaru napięcia międzyszczytowego 2U

we

na wejściu, 2U

wy

na

wyjściu oraz ∆t. Pomiary wykonać dla sygnałów o częstotliwości z zakresu od 0, 01kHz do
1M Hz. Obliczyć A =

U

wy

U

we

, A

dB

= 20 log

U

wy

U

we

oraz ϕ. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisać w

tabeli 8. Na rysunku 26 wykreślić charakterystykę amplitudową.

15

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

4

Sprawozdanie

4.1 Charakterystyki statyczne

Wykreślić i zinterpretować charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego.

4.2 Tranzystor bipolarny w układzie WK i WE

4.2.1 Wykreślić i zinterpretować charakterystyki U

wy

= f (U

we

)

4.2.2 Zamieścić oraz zinterpretować wybrane przebiegi uzyskane z oscyloskopu dla różnych

punktów spoczynkowych w układzie WK I WE.

4.2.3 Wykreślić i zinterpretować charakterystyki amplitudowe w układzie WK i WE.

4.2.4 Porównać układ WK i WE.

5

Niezbędne wyposażenie

• kalkulator naukowy

• pendrive do 1GB

• protokół

Literatura

[1] Schenk Christoph Tietze Ulrich. Układy Półprzewodnikowe.

[2] Paul Horowitz Winfield Hill. Sztuka elektroniki cz.I.

[2, 1]

16

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

6

Przykładowe pytania kontrolne

1. Narysować symbol tranzystora bipolarnego, opisać i nazwać zaciski.

2. W jakim stanie znajduje się tranzystor bipolarny npn gdy:

a) złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, złącze baza-kolektor
w kierunku zaporowym,
b) złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku zaporowym, złącze baza-kolektor w
kierunku zaporowym,
c) złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku zaporowym, złącze baza-kolektor w
kierunku przewodzenia,
d) złącze baza-emiter spolaryzowane jest w kierunku przewodzenia, złącze baza-kolektor
w kierunku przewodzenia,
e) napięcie baza-emiter U

BE

= 0, 7V , napięcie kolektor-emiter U

CE

= 0, 2V ,

f) napięcie baza-emiter U

BE

= 0, 7V , napięcie kolektor-emiter U

CE

= 5V ,

g) napięcie baza-emiter U

BE

= 0V , napięcie kolektor-emiter U

CE

= 5V .

3. W układzie na rysunku 18 obliczyć prąd kolektora I

C

oraz napięcie kolektor-emiter U

CE

dla następujących prądów bazy : I

B1

= 1µA, I

B2

= 10µA, I

B3

= 50µA, I

B4

= 100µA,

I

B5

= 200µA, I

B6

= 1mA.

I

C

R = 1kΩ

I

B

β = 100

U = 15V

U

CE

U

R

Rysunek 18

4. Obliczyć jaka może być maksymalna wartość rezystancji R

B

tak aby tranzystor w układzie

z rysunku 19 był w stanie nasycenia (tranzystor jako przełącznik). Uwzględnić że U

we

=

U

R

B

+ U

BE

= U

R

B

+ 0, 6, U

CE sat

= 0, 2V , β = 100.

17

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

I

C

R = 100Ω

I

B

R

B

β = 100

U = 10V

U

CE

U

R

U

we

= 5V

U

BE

U

R

B

Rysunek 19

5. Obliczyć wartość rezystancji R

B

i R

C

wzmacniacza pracującego w układzie przedstaw-

ionym na rysunku 20 jeżeli punkt pracy określony jest następująco: I

C

= 9mA, U

CE

=

4, 4V , U = 9V , U

BE

= 0, 7V , β = 115.

I

C

R

C

I

B

R

B

β = 115

U = 9V

U

CE

U

R

U

BE

U

R

B

Rysunek 20

18

ĆWICZENIE - 2

GRUPA:

ooooooooo

DATA:

Protokół

Wyniki pomiarów i obliczeń

Tabela 1: Charakterystyka wejściowa i przejściowa

U

CE

=

I

B

[µA]

U

BE

[V ]

I

C

[mA]

ooooooooo

ooooooooo

ooooooooo

U

CE

=

I

B

[µA]

U

BE

[V ]

I

C

[mA]

ooooooooo

ooooooooo

ooooooooo

Tabela 2: Charakterystyki wyjściowe

I

B1

= 25µA

U

CE

[V ]

I

C

[mA]

ooooooooo

ooooooooo

15

I

B2

= 50µA

U

CE

[V ]

I

C

[mA]

ooooooooo

ooooooooo

10

I

B3

= 75µA

U

CE

[V ]

I

C

[mA]

ooooooooo

ooooooooo

5

ooooooooo

ĆWICZENIE - 2

GRUPA:

ooooooooo

DATA:

Tabela 3: Charakterystyka U

wy

= f (U

we

), układ WE

Wyniki pomiarów

U

we

[V ]

U

wy

[V ]

oooo

0

oooo

ooooooooo

0,1
0,2
0,3

Wyniki pomiarów

U

we

[V ]

U

wy

[V ]

ooooooooo

ooooooooo

2,5

Tabela 4: Ustalanie punku pracy w układzie WE

Dobór dzielnika rezystancyjnego

U

C1

= 3

U

C2

= 7.5

U

C3

= 12

R1[kΩ]

R2[kΩ]

R1[kΩ]

R2[kΩ]

R1[kΩ]

R2[kΩ]

ooooooo

ooooooo

ooooooo

ooooooo

ooooooo

ooooooo

Tabela 5: Charakterystyka amplitudowa układu WE

Wyniki pomiarów

Wyniki obliczeń

f [kHz]

2U

we

[V ]

2U

wy

[V ]

∆t[ms]

A[−]

A

dB

[dB]

ϕ[

◦

]

oooooooo

oooooooo

oooooooo

oooooooo

oooooooo

oooooooo

oooooooo

ooooooooo

ĆWICZENIE - 2

GRUPA:

ooooooooo

DATA:

Tabela 6: Charakterystyka U

wy

= f (U

we

), układ WK

Wyniki pomiarów

U

we

[V ]

U

wy

[V ]

oooo

0

oooo

ooooooooo

0,2
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9

1

1,1
1,2

Wyniki pomiarów

U

we

[V ]

U

wy

[V ]

oooo

1,5

oooo

ooooooooo

2
3
4
5
6
7
9

11
13
15

Tabela 7: Ustalanie punku pracy w układzie WK

Dobór dzielnika rezystancyjnego

U

E1

= 4

U

E2

= 7.5

U

E3

= 12

R1[kΩ]

R2[kΩ]

R1[kΩ]

R2[kΩ]

R1[kΩ]

R2[kΩ]

ooooooo

ooooooo

ooooooo

ooooooo

ooooooo

ooooooo

Tabela 8: Charakterystyka amplitudowa układu WK

Wyniki pomiarów

Wyniki obliczeń

f [kHz]

2U

we

[V ]

2U

wy

[V ]

A[−]

A

dB

[dB]

ooooo

ooooo

ooooo

ooooo

ooooo

Wyniki pomiarów

Wyniki obliczeń

f [kHz]

2U

we

[V ]

2U

wy

[V ]

A[−]

A

dB

[dB]

ooooo

ooooo

ooooo

ooooo

ooooo

ooooooooo

ĆWICZENIE - 2

GRUPA:

ooooooooo

DATA:

Przykładowe obliczenia

Charakterystyki

U

BE

[V ]

I

B

[µA]

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

50

100

150

200

250

300

350

(a) Charakterystyka wejściowa

I

B

[µA]

I

C

[mA]

50

100

150

200

250

300

350

25

50

75

100

125

150

(b) Charakterystyka przejściowa

Rysunek 21

U

CE

[V ]

I

C

[mA]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

20

40

60

80

100

120

Rysunek 22: Charakterystyki wyjściowe

ooooooooo

ĆWICZENIE - 2

GRUPA:

ooooooooo

DATA:

U

we

[V ]

U

wy

[V ]

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Rysunek 23: Charakterystyka U

wy

= f (U

we

) dla układu WE

f [kHz]

A

dB

[dB]

−30

−20

−10

0

10

20

0, 1

1

10

100

1000

Rysunek 24: Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WE

ooooooooo

ĆWICZENIE - 2

GRUPA:

ooooooooo

DATA:

U

we

[V ]

U

wy

[V ]

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Rysunek 25: Charakterystyka U

wy

= f (U

we

) dla układu WK

f [kHz]

A

dB

[dB]

−30

−20

−10

0

0, 1

1

10

100

1000

Rysunek 26: Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza WK

ooooooooo