1

POLITECHNIKA L SKA

WYDZIAŁ IN YNIERII RODOWISKA I ENERGETYKI

INSTYTUT MASZYN I URZ DZE ENERGETYCZNYCH

LABORATORIUM ELEKTRYCZNE

Badanie tranzystorów bipolarnych.

(E – 8)

www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape

Opracował: Dr in . Włodzimierz OGULEWICZ

Sprawdził: Dr in . Włodzimierz OGULEWICZ

Zatwierdził: Dr hab. in . Janusz KOTOWICZ

2

1. Cel wiczenia.

Celem wiczenia jest wyznaczenie charakterystyk statycznych tranzystorów

bipolarnych oraz ich parametrów hybrydowych, a tak e zaznajomienie si z

metodyk i aparatur u ywan do bada tranzystorów.

2. Wprowadzenie.

2.1. Tranzystor BJT. Okre 1enia i poj cia podstawowe.

Tranzystor bipolarny BJT (ang. Bipolar Junction Transistor)

jest przyrz dem

półprzewodnikowym posiadaj cym dwa zł cza PN, wytworzone w jednej płytce

półprzewodnika niesamoistnego. Mo liwe jest dwojakie uszeregowanie obszarów

o ró nym typie przewodnictwa: PNP lub PNP, daj ce dwa typy tranzystorów.

Wła ciwo ci tranzystora opisuj rodziny jego

charakterystyk statycznych

.

Charakterystyki statyczne s to krzywe przedstawiaj ce zale no ci mi dzy

pr dami i napi ciami stałymi lub wolnozmiennymi wyst puj cymi na wej ciu i

wyj ciu tranzystora. Charakterystyki te podaje si najcz ciej 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) mo e pracowa w

trzech podstawowych konfiguracjach. Zale nie od tego, na której z elektrod

utrzymuje si stały potencjał (zasilania lub masy) lub inaczej w zale no ci od

tego, która elektroda jest elektrod wspóln dla wej cia i wyj cia sygnału –

rozró niamy:

1.

Układ ze wspólnym emiterem OE (WE) – najcz ciej stosowany.

2.

Układ ze wspóln baz OB (WB) – stosowany w układach b.w.cz.

3.

Układ ze wspólnym kolektorem OC (WC) – stosowany w układach

wej ciowych, nazywany bardzo cz sto

wtórnikiem emiterowym

.

2.3. Charakterystyki statyczne tranzystora BJT

Tranzystor BJT pracuj cy w dowolnym układzie OE, OB lub OC

charakteryzuj pr dy przez niego płyn ce i napi cia na jego elektrodach.

U

CE

U

BE

I

B

I

C

I

E

U

CE

U

BE

I

B

I

C

I

E

NPN

PNP

Rys.1. Symbole i polaryzacja tranzystorów bipolarnych.

3

Mo na okre li cztery rodziny charakterystyk statycznych tranzystora:

• wej ciow I

we

= f (U

we

, U

wy

= idem)

• przej ciow I

wy

= f (I

we

, U

wy

= idem)

• wyj ciow I

wy

= f (U

wy

, I

we

= idem)

• zwrotn U

we

= f (U

wy

, I

we

= idem)

W przypadku układu OE otrzymamy charakterystyki:

• wej ciow I

B

= f (U

BE

, U

CE

= idem)

• przej ciow I

C

= f (I

B

, U

CE

= idem)

• wyj ciow I

C

= f (U

CE

, I

B

= idem)

• zwrotn U

BE

= f (U

CE

, I

B

= idem)

Wszystkie wymienione rodziny charakterystyk mo na przedstawi na jednym

rysunku „ze zł czonym osiami” (rys.2.).

2.4. Parametry hybrydowe tranzystora BJT w układzie OE.

Do tworzenia schematów zast pczych tranzystorów bipolarnych konieczna

jest znajomo parametrów hybrydowych układu równa czwórnikowych.

U

CE

= 20V

U

CE

= 20V

U

CE

= 10V

U

CE

= 10V

I

B

= 1

µA

I

B

= 300

µA

I

B

= 100

µA

I

B

= 100

µA

I

B

= 300

µA

I

B

= 200

µA

I

B

= 0

µA

I

B

I

C

U

BE

U

CE

V

µA

mA

0,8

0,6

0,4

0,2

300

200

100

40

30

20

10

30V

20V

10V

cha-ki wej ciowe

cha-ki wyj ciowe

cha-ki przej ciowe

cha-ki zwrotne

Rys.2. Rodziny charakterystyk statycznych tranzystora BJT w układzie OE.

4

Czwórnik przedstawiony na rys.3. opisany jest zale no ci ( 1 ). Z zale no ci

( 1 ) wyznaczane s parametry hybrydowe (

h

11

, h

12

, h

21

, h

22

) umo liwiaj ce

stworzenie schematu zast pczego tranzystora bipolarnego rys.4.

( 1 )

Zakładaj c U

CE

= 0 (zwarcie wyj cia) wyznaczamy:

• h

11

= U

BE

////I

B

– zwarciow impedancj wej ciow ≈≈≈≈ r

we

= r

be

• h

21

= I

C

////I

B

– zwarciowy współczynnik wzmocnienia pr dowego ≈≈≈≈ ββββ

Zakładaj c I

B

= 0 (przerwa na wej ciu – rozwarcie) wyznaczamy:

• h

22

= I

C

////U

CE

– rozwarciow admitancj wyj ciow ≈≈≈≈ 1/r

wy

= g

ce

• h

12

= U

BE

////U

CE

– rozwarciowy współczynnik napi ciowego sprz enia

zwrotnego

U

1

I

2

U

2

I

1

2

2’

1’

1

h

11

h

12

h

21

h

22

U

1

I

2

I

1

U

2

=

U

1

=h

11

⋅⋅⋅⋅I

1

+h

12

⋅⋅⋅⋅U

2

I

2

=h

21

⋅⋅⋅⋅I

1

+h

22

⋅⋅⋅⋅U

2

U

CE

U

BE

I

B

I

C

I

E

E

B

C

U

BE

=

h

11

⋅⋅⋅⋅

I

B

+

h

12

⋅⋅⋅⋅

U

CE

I

C

=

h

21

⋅⋅⋅⋅

I

B

+

h

22

⋅⋅⋅⋅

U

CE

U

2

=U

w

y

=U

C

E

I

1

=I

we

=I

B

E

B

U

1

E

C

R

B

R

C

I

2

= −−−−I

wy

h

11

h

12

⋅⋅⋅⋅U

2

h

21

⋅⋅⋅⋅I

1

h

22

=>

Rys.4. Schemat zast pczy hybrydowy tranzystora BJT w układzie OE.

Rys.3. Tranzystor BJT w układzie OE przedstawiony jako czwórnik.

5

2.5. Wyznaczanie parametrów hybrydowych z charakterystyk

statycznych tranzystora BJT.

Sposób

wyznaczania

parametrów

hybrydowych

(przyrostowych,

ró niczkowych) na podstawie danych (np. pomierzonych) charakterystyk

statycznych tranzystora przedstawia rys.5.

3. Badania i pomiary.

3.1. Okre lenie wielko ci mierzonych.

Przeprowadzane badania maj na celu wyznaczenie podstawowych

charakterystyk statycznych i parametrów hybrydowych tranzystorów bipolarnych.

Badane s tranzystory redniej i du ej mocy (BC313 lub BC211 i BDY25).

3.2. Schematy układu pomiarowego do wyznaczania

charakterystyk statycznych.

Charakterystyki statyczne tranzystorów bipolarnych wyznacza si w układzie

pomiarowym, którego schemat przedstawiono na rysunku 6.

∆

U

BE

∆

I

C

∆

I

B

∆

U

CE

U

CE

= 10V

U

CE

= 10V

I

B

= 200µµµµA

I

B

= 200µµµµA

I

B

I

C

U

BE

U

CE

V

µµµµA

mA

0,8

0,6

0,4

0,2

300

200

100

40

30

20

10

30V

20V

10V

h

21

=

∆I

C

/∆I

B

h

22

=

∆I

C

/∆U

CE

h

12

=

∆U

BE

/∆U

CE

h

11

=

∆U

BE

/∆I

B

Rys.5. Wyznaczanie parametrów hybrydowych z charakterystyk statycznych

tranzystora BJT w układzie OE.

6

W przedstawionym układzie mo na wyznaczy wszystkie charakterystyki

tranzystora (wyj ciow , wej ciow , przej ciow i zwrotn ). Zasadniczo w

prezentowanym wiczeniu wyznaczamy charakterystyk wyj ciow

I

C

= f (U

CE

,

I

B

= idem) dla trzech, czterech warto ci pr du bazy i charakterystyk wej ciow

I

B

= f (U

BE

, U

CE

= idem) dla dwóch, trzech warto ci napi kolektor-emiter

(zgodnie z poleceniem prowadz cego zaj cia).

Sposób wyznaczania poszczególnych charakterystyk wynika bezpo rednio z

ich definicji. Podczas pomiarów nie nale y przekracza dopuszczalnych warto ci

pr dów, napi oraz

mocy badanego tranzystora podanych w katalogu. Nale y

zwraca baczn uwag , aby badany tranzystor

nie nagrzewał si nadmiernie

podczas pomiarów. Przegrzanie tranzystora mo e by przyczyn du ych bł dów

pomiarowych a nawet doprowadzi do jego uszkodzenia (szczególnie dotyczy to

wyznaczania charakterystyk wyj ciowych).

3.3. Wyznaczanie parametrów hybrydowych tranzystorow.

Mierniki parametrów tranzystorów bipolarnych s fabrycznie produkowanymi

przyrz dami pomiarowymi.

Przed u yciem tych mierników nale y zapozna

si z instrukcj ich obsługi. W wiczeniu wykorzystywany jest tester

tranzystorów P561. Płyt czołow testera przedstawia rysunek 7.

Pomiary parametrów hybrydowych tranzystora (h

11

, h

12

, h

21

, h

22

)

przeprowadzane s w układzie wspólnego emitera, w funkcji pr du kolektora I

C

przy stałym napi ciu kolektor-emiter U

CE

. Badany tranzystor podł czony jest do

zacisków E, B, C testera.

3.4. Sposób obsługi testera P561.

A. Przed wł czeniem zasilania nale y

:

•

wybra wła ciwy dla danego tranzystora sposób polaryzacji – przycisk

NPN lub PNP (sprawd typ tranzystora w katalogu i ustaw przeł cznik

zgodnie z oznaczeniem katalogowym),

•

pokr tło regulacji napi cia kolektor-emiter U

CE

ustawi w

lewym skrajnym

poło eniu,

•

pokr tła (dwa) regulacji pr du bazy I

B

dolne (zgrubne – skokowe) i górne

(dokładne – płynne) ustawi w

lewym skrajnym poło eniu,

•

wcisn klawisz pomiaru napi cia kolektor-emiter U

CE

i klawisz zakresu

3V,

R

C

R

B

C

I

C

I

B

V

U

CE

U

BE

I

E

B

E

V

A

A

Z

as

ila

cz

Z

as

ila

cz

Rys.6. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych.

7

•

na przeł czniku klawiszowym zakresów pr du kolektora I

C

wcisn

klawisz 100mA,

•

wcisn klawisz

h

21

pomiaru parametrów hybrydowych tranzystora,

•

przeł cznik zakresów pomiarowych parametrów tranzystora ustawi w

prawym skrajnym poło eniu.

B. Wł czy zasilanie testera

– przycisk

MAINS

.

C. Wybieranie punktów pracy tranzystora

(prowadzenie pomiarów).

•

ustaw (podane przez prowadz cego zaj cia) napi cie kolektor-emiter U

CE

wciskaj c odpowiedni klawisz zakresu (przewa nie 10V) i pokr caj c

pokr tło regulacji napi cia U

CE

do momentu uzyskania na skali miernika

TEST POINT wła ciwej (zadanej) warto ci.

Raz ustawiona warto

napi cia U

CE

do ko ca pomiarów ma pozosta stała.

•

przeł cz miernik TEST POINT na pomiar pr du kolektora – wciskaj c

klawisz I

C

.

•

ustawiaj na mierniku TEST POINT kolejne warto ci pr du kolektora I

C

(podane przez prowadz cego zaj cia) wybieraj c wła ciwy zakres pomiaru

pr du kolektora (0,3, 1, 3, 10, 30 lub 100mA) i ustawiaj c zadan warto

pokr tłem górnym regulacji pr du bazy I

B

– regulacja płynna (dokładna)

i/lub w razie potrzeby pokr tłem dolnym regulacji pr du bazy I

B

–

regulacja skokowa (zgrubna).

•

po ustawieniu pierwszej i ka dej nast pnej warto ci pr du kolektora I

C

odczytaj warto mierzonego parametru (w tym przypadku h

21

) na skali

miernika PARAMETER. Przeł cznik zakresów pomiarowych parametrów

ustaw na takim zakresie, eby wskazówka miernika PARAMETER

znajdowała si w przedziale pomi dzy 75% a 100% skali miernika.

Zwró

szczególn uwag na aktualny zakres miernika PARAMETER, który

µµµµA

TRANSISTOR TESTER P561

TEST POINT

PARAMETER

MAINS

kΩ

Ω

Ω

Ω

µµµµS

V/V

A/A

3000

1000

300

300

30

100

100

10

10

30

10

30

30

10

100

300

300
100

U

CE

I

B

U

CE

I

C

10

30

10

-4

10

-2

10

-3

3

.

10

-4

3

.

10

-3

3

.

10

-2

0,1 0,3

1

1

3

3

3

3

10

10

3

30 100

V

E

S

B

C

30

0,3

100

NPN

PNP

mA

h11

h12

h21

h22

I

CE0

I

CB0

I

EB0

mA

µµµµA

17

9

0

32

60

0,11

0,5

5

1,1

0,24

1

1

nA

Rys.7. Płyta czołowa testera P 561.

8

nale y odczyta z tabeli na płycie czołowej w miejscu b d cym na

przeci ciu si linii poziomej wyznaczonej przez wci ni ty klawisz

parametru (w tym przypadku h

21

) i linii pionowej wyznaczonej przez

wyst p na przeł czniku zakresów pomiarowych parametru.

•

po zako czeniu pomiarów pierwszego parametru (h

21

) oba pokr tła

regulacji pr du bazy I

B

nale y

KONIECZNIE

skr do lewego skrajnego

poło enia (na warto minimaln ) –

sprawd temperatur obudowy

tranzystora!

•

zmie mierzony parametr na kolejny –

h

22

i post puj analogicznie jak przy

poprzednim pomiarze, nast pnie dokonaj pomiarów parametru

h

11

i na

ko cu

h

12

.

3.5. Przebieg wiczenia.

1. Zaznajomi si z danymi katalogowymi badanych tranzystorów.

Zanotowa warto ci dopuszczalne: pr du kolektora – I

Cmax

, napi cia

kolektor-emiter – U

Cemax

, pr du bazy - I

Bmax

, napi cia baza-emiter –

U

Bemax

, mocy admisyjnej – P

max

.

2. Wyznaczy rodzin charakterystyk statycznych (wyj ciowych i

wej ciowych) dwóch tranzystorów mocy (BDY25) w układzie OE.

3. Wyznaczy parametry hybrydowe dwóch tranzystorów redniej mocy

(BC313 i BC211).

4.

Wyniki pomiarów zanotowa w tabelach otrzymanych od prowadz cego

zaj cia.

5. Opracowanie wyników pomiarów.

1. Wykre li charakterystyki wyj ciowe dwu tranzystorów mocy (BDY25)

(obie rodziny charakterystyk na jednym wykresie ró ne od siebie

kolorem i/lub charakterem linii i/lub opisem).

2. Wykre li charakterystyki wej ciowe dwu tranzystorów mocy (BDY25)

(obie rodziny charakterystyk na jednym wykresie ró ne od siebie

kolorem i/lub charakterem linii i/lub opisem).

3. Wykre li zale no ci parametrów hybrydowych w funkcji pr du

kolektora tranzystora BC313 (wszystkie parametry na jednym wykresie

odznaczone kolorem i/lub charakterem linii i opisem. Konieczne cztery

osie rz dnych, o odci tych musi by wykre lona w skali

logarytmicznej).

4. Wykre li zale no ci parametrów hybrydowych w funkcji pr du

kolektora tranzystora BC211 (wszystkie parametry na jednym wykresie

odznaczone kolorem i/lub charakterem linii i opisem. Konieczne cztery

osie rz dnych, o odci tych musi by wykre lona w skali

logarytmicznej).

5. Korzystaj c z wykre lonych charakterystyk statycznych okre li w

trzech punktach (dla ró nych parametrów charakterystyk mierzonych)

parametry hybrydowe badanych tranzystorów mocy.

9

6. Sprawozdanie.

Sprawozdanie powinno zawiera :

1.

Stron tytułow (nazw wiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona

wicz cych oraz dat wykonania wiczenia).

2.

Wymienione uprzednio dane katalogowe badanych tranzystorów.

3.

Schemat układu pomiarowego.

4.

Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk.

5.

Wykresy wymienionych uprzednio charakterystyk.

6.

Okre lone w p.11.5. parametry hybrydowe tranzystorów mocy.

7.

Uwagi i wnioski (dotycz ce przebiegu charakterystyk, ich odst pstw

od przebiegów teoretycznych, rozbie no ci wyników na ró nych

stanowiskach itp.).

Wszelkie prawa zastrze one

ZAŁ CZNIK 1. Tabela wyników pomiarowych.

U

CE

I

C

U

CE

I

C

U

CE

I

C

U

CE

I

C

U

CE

I

C

V

mA

V

mA

V

mA

V

mA

V

mA

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

1,3

1,3

1,3

1,3

1,3

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

5,0

5,0

5,0

5,0

5,0

10,0

10,0

10,0

10,0

10,0

Pomiar charakterystyk wyj ciowych

Oznaczenie tranzystora:

I

B

= .................µµµµA

I

B

= .................µµµµA

I

B

= .................µµµµA

I

B

= .................µµµµA

I

B

= .................µµµµA

10

ZAŁ CZNIK 2. Tabela wyników pomiarowych.

U

BE

I

B

U

BE

I

B

U

BE

I

B

U

BE

I

B

U

BE

I

B

V

µµµµA

V

µµµµA

V

µµµµA

V

µµµµA

V

µµµµA

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,3

0,3

0,3

0,3

0,3

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,9

0,9

0,9

0,9

0,9

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,1

1,1

1,1

1,1

1,1

Oznaczenie tranzystora:

Pomiar charakterystyk wej ciowych

U

CE

= .................V

U

CE

= .................V

U

CE

= .................V

U

CE

= .................V

U

CE

= .................V

ZAŁ CZNIK 3. Tabela wyników pomiarowych.

U

CE

=

V

.

V

.

U

CE

=

V

.

V

.

U

CE

=

V

.

V

.

U

CE

=

V

.

V

.

I

C

h

21

h

21

I

C

h

22

h

22

I

C

h

11

h

11

I

C

h

12

h

12

mA

mA/mA mA/mA

mA

µµµµS

µµµµS

mA

kΩ

Ω

Ω

Ω

kΩ

Ω

Ω

Ω

mA

V/V

V/V

0,04

0,04

0,04

0,04

0,10

0,10

0,10

0,10

0,25

0,25

0,25

0,25

0,40

0,40

0,40

0,40

1,00

1,00

1,00

1,00

2,50

2,50

2,50

2,50

4,00

4,00

4,00

4,00

10,00

10,00

10,00

10,00

25,00

25,00

25,00

25,00

40,00

40,00

40,00

40,00

Pomiar parametrów hybrydowych w funkcji pr du kolektora

Oznaczenie tranzystora: