POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2013

1

TRANZYSTOR BIPOLARNY

Charakterystyki statyczne

Celem ćwiczenia jest pomiar i analiza charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego

npn lub pnp pracującego w układach wspólnego emitera (WE) lub wspólnej bazy (WB).

A) Istotne zagadnienia do samodzielnego przeanalizowania przed zajęciami

 Teoretyczne podstawy działania tranzystora bipolarnego.
 Stany i układy pracy BJT.
 Zasady polaryzacji tranzystora i schematy pomiarowe charakterystyk statycznych.
 Parametry pomiarowe rodziny charakterystyk statycznych.
 Ograniczenia pomiarowe (bezpieczne zakresy pracy) poszczególnych rodzin charakterystyk

statycznych.

 Wybrane parametry katalogowe i ich zastosowanie podczas pomiarów.

B)

Pomiary

Uwagi wstępne:

 Pomiary wykonać dla tranzystora i układu pracy wskazanego przez prowadzącego.
 Podczas pomiarów zwracać uwagę na utrzymywanie stałej wartości parametrów danej ro-

dziny charakterystyk.

 Pomiary przeprowadzić w możliwie szerokim zakresie dopuszczalnych prądów i napięć. W

razie wątpliwości wartości te należy uzgadniać z prowadzącym zajęcia.

 Na każdej charakterystyce powinno być nie mniej niż 10 pkt. pomiarowych.

1. Ustalić typ (npn - pnp) oraz rozkład wyprowadzeń końcówek tranzystora.
2. Przy pomocy testera złącza pn (np. multimetr Agilent) dokonać pomiaru obu złącz i ustalić czy

tranzystor jest sprawny.

3. Zmierzyć charakterystyki prądowo-napięciowe złącz BE i BC w obu kierunkach, uwzględniając

ich dopuszczalne parametry.

4.

Układ wspólnego emitera

a) Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego

w układzie WE.

b) Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE (IB)

UCE=const

, i przejściową IC (IB)

UCE=const

.

Charakterystyki te można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IB i mierząc
równocześnie napięcie wejściowe UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla trzech
wartości parametru UCE.

c) Zmierzyć charakterystyki: wyjściową IC(UCE)

IB=const

, i oddziaływania zwrotnego

UBE(UCE)

IB=const

. Charakterystyki te można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając napięcie

wyjściowe UCE i mierząc równocześnie prąd wyjściowy IC oraz napięcie wejściowe UBE.
Pomiary wykonać dla trzech wartości parametru IB. Ze szczególną uwagą należy wykonać
pomiary w zakresie nasycenia.

5.

Układ wspólnej bazy

a) Zestawić układ pomiarowy do zbadania charakterystyk statycznych tranzystora pracującego

w układzie WB.

b) Zmierzyć charakterystyki: wejściową UBE(IE)

UCB=const

, oraz przejściową IC(IE)

UCB =const

.

Charakterystyki te można wyznaczyć jednocześnie, zmieniając prąd wejściowy IE i mierząc

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2013

2

równocześnie napięcie wejściowe UBE oraz prąd wyjściowy IC. Pomiary wykonać dla
trzech wartości parametru UCB.

c) Zmierzyć charakterystyki: wyjściową IC(UCB)

IE=const

oraz oddziaływania zwrotnego

UBE(UCB)

IE=const

w zakresie aktywnym. Można je wyznaczyć jednocześnie, zmieniając

napięcie wyjściowe UCB i mierząc równocześnie prąd wyjściowy IC oraz napięcie wejścio-
we UBE. Po wyznaczeniu charakterystyk wyjściowych w obszarze pracy aktywnej zmierzyć
te charakterystyki w zakresie nasycenia (po zmianie polaryzacji złącza kolektorowego).

C)

Opracowanie i analiza wyników

1. Narysować wszystkie zmierzone charakterystyki.
2. Na podstawie charakterystyk złącza BE, BC narysowanych w skali logarytmiczno-liniowej i

wyznaczyć współczynniki złącza oraz „prądy zerowe” i rezystancję szeregową (patrz instrukcja
do ćwiczenia „Diody półprzewodnikowe”).

3. Wyznaczyć parametry mieszane typu h schematu zastępczego dla wybranego punktu pracy. Któ-

re z tych parametrów można uznać za stałe, a które będą się zmieniać i w jakim kierunku, ze
zmianą punktu pracy.

4. Wyznaczyć parametry schematu zastępczego hybryd π dla wybranego punktu pracy. Które z

tych parametrów można uznać za stałe, a które będą się zmieniać i w jakim kierunku, ze zmianą
punktu pracy.

5. Wyznaczyć napięcie Early'ego dla badanego tranzystora.
6. Wyjaśnić co to jest drugie przebicie i zaznaczyć odpowiedni obszar na charakterystykach wyj-

ściowych.

7. Dlaczego wartości napięcia przebicia złącz BE i BC znacznie się różnią między sobą.
8. Porównać uzyskane wyniki pomiarów i obliczeń z danymi katalogowymi dla danego tranzystora.
9. Wyjaśnić zasadę działania i wykorzystania testera złącz do pomiarów.
10.

Dokonać interpretacji wyników pomiarów testerem złącz

D)

Schematy pomiarowe

a) Układ WE, tranzystor npn

mA

V

ZASILACZ





V

mA

ZASILACZ





b) Układ WB, tranzystor pnp

mA

V

ZASILACZ





V

mA

ZASILACZ





c) Układ WE, tranzystor pnp

mA

V

ZASILACZ





V

mA

ZASILACZ





d) Układ WB, tranzystor pnp

mA

V

ZASILACZ





V

mA

ZASILACZ





Rys. 2. Schematy pomiarowe dla układów wspólnego emitera (WE) i wspólnej bazy (WB).

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2013

3

Rys. 1. Uniwersalny laboratoryjny układ połączeniowy do badania tranzystorów.

E) Parametry katalogowe wybranych typów tranzystorów

Parametry tranzystorów można znaleźć m.in. na:

 stronach firmowych producentów tranzystorów
 http://www.datasheetcatalog.org
 www.elenota.pl
 http://unitrel.pl/index.php?go=15&tech=1&id=10&find=0&folder=dane/tranzystory

&wyb=tranzystory

F) Dodatek – podstawowe informacje dotyczące tranzystorów bipolarnych

1. Podstawy działania

W tranzystorze n-p-n złącze n

+

-p

+

jest nazywane złączem emiterowym (sterującym), sam zaś

obszar n

+

- emiterem. (+ oznacza silne domieszkowanie danego obszaru). Zadaniem emitera jest

wstrzykiwanie nadmiarowych nośników – elektronów do obszaru p zwanego obszarem bazy. W
bazie elektrony stanowią nośniki mniejszościowe, których większość uczestniczy w prądzie zapo-
rowym drugiego złącza tranzystora nazywanego złączem kolektorowym. Obszar n tego złącza
nazywa się kolektorem. W przypadku tranzystora pnp należy odpowiednio uwzględnić zmianę
rodzaju domieszkowania poszczególnych obszarów.

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2013

4

E

C

R

C

R

E

p

+

B

n

kolektor

emiter

n

+

_

+

_

+

W

b

a)

baza

1

n

++

n

p

+

I

B

I

C

I

E

2

3

4

5

b)

U

BE

U

CB

Rys. 3. Idea budowy i działania tranzystora n-p-n – układ WB. a) Polaryzacja dla układu WB w stanie ak-
tywnym normalnym. b) Rozpływ prądów tranzystorze: 1 - ułamek liczby elektronów ulegających rekombi-
nacji w bazie, 2 - elektrony wstrzyknięte do bazy i osiągające obszar kolektora, 3 - nośniki generowane ter-
micznie - zaporowy prąd złącza kolektora, 4 - dziury dostarczane przez końcówkę bazy rekombinujące z
elektronami, 5 - dziury dyfundujące z bazy do emitera.

2. Stany i układy pracy

Tranzystor jest elementem trójkońcówkowym, dwuzłączowym, istnieją więc cztery różne

kombinacje znaków napięć polaryzujących oba złącza które określają jego stany pracy.

Kierunki polaryzacji złącza tranzystora

Stan pracy tranzystora

Złącze baza-emiter

Złącze baza-kolektor

Aktywny

przewodzenia

zaporowy

Nasycenia

przewodzenia

przewodzenia

Zatkania

zaporowy

zaporowy

Aktywny inwersyjny

zaporowy

przewodzenia

Rys. 4. Stany pracy tranzystora bipolarnego.

Tranzystor jako element trójkońcówkowy, traktowany jako czwórnik (dla wejścia i wyjścia sy-

gnału) musi mieć jedną z końcówek wspólną dla sygnału wejściowego i wyjściowego. Daje to 3!
możliwych kombinacji, jednak aby uzyskać wzmocnienie mocy (jedna z zasadniczych zalet tranzy-
stora) jest konieczne by baza była jedną z końcówek wejściowych a kolektor jedną z wyjścio-
wych. Ogranicza to ilość użytecznych kombinacji do trzech. Są to układy:

Układ ze wspólnym emiterem

OE (WE)

Układ ze wspólną bazą

OB (WB)

Układ ze wspólnym kolektorem

OC (WC)

B

C

E

WE

WY

B

E

C

WE

WY

B

C

E

WE

WY

- duże wzmocnienie prądowe,
- duże wzmocnienie napięciowe,
- duże wzmocnienie mocy,
- Uwy odwrócone o 180°,
- Rwe - kilkaset Ω,
- Rwy - kilkadziesiąt kΩ.

- wzmocnienie prądowe ≈1,
- Rwe - mała,
- Rwy - duża.

- duże wzmocnienie prądowe,
- wzmocnienie napięciowe ≈ 1,
- Rwe - duża.

Rys. 5. Układy pracy tranzystora bipolarnego.

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2013

5

3. Prądy zerowe

WE

WY

+

-

R

I

CER

I

CER

= I

CEO

dla R=

I

CES

dla R=0

I

CER

dla 0<R<





WE

WY

I

CBO

+

-

WE WY

I

EBO

+

-

U

I

I

CEO

I

CER

I

CES

I

CBO

U

CEOmax

U

CBOmax

Rys. 6. Układy pomiarowe prądów zerowych. Pomiędzy ich wartościami zachodzi relacja: I

CE-

O

>I

CER

>I

CES

>I

CBO

.

4. Charakterystyki statyczne tranzystora w układzie OE i OB

Ilościowe informacje o właściwościach danego egzemplarza tranzystora najlepiej uzyskać na

podstawie pomiaru różnego rodzaju charakterystyk, w tym podstawowych charakterystyk statycz-
nych. Pomiaru tych charakterystyk dokonuje się gdy wielkościami sterującymi są prądy i napięcia
stałe. Charakterystyki i parametry podawane w notach katalogowych to wartości typowe, uzyski-
wane jako średnie wyniki reprezentatywnej próby statystycznej.

Rys. 7. Charakterystyki statyczne tranzystora w układzie OB (a) i w układzie OE (b).

5. Obszar pracy aktywnej

Rys. 8. Obszar pracy aktywnej tranzystora w układzie OB (a) i w układzie OE (b) oraz parametry statyczne:
P

a

- dopuszczalna moc admisyjna; I

Cmax

- maksymalny prąd kolektora (ograniczenie wynika ze zmniejsza-

a)

b)

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki iii2013

6

niem się



,



w funkcji I

C

a nie ze wzrostem temperatury); U

CEmax

- dopuszczalne napięcie kolektor-emiter

(określane jako np. 0.8 U

CEO

); I

CEO

- prąd zerowy kolektora (granica pomiędzy odcięciem a zakresem aktyw-

nym); U

CES

- napięcie nasycenia (tylko w WE), rozgranicza obszar nasycenia od stanu aktywnego. Więk-

szość zaznaczonych parametrów są to parametry ograniczające dozwolony obszar pracy tranzystora.

Na rys. 8. przedstawiono obszar pracy aktywnej tranzystora w konfiguracji OB i OE. Jest on

ograniczony od góry maksymalnym prądem kolektora, a od dołu prądem zerowym płynącym przez
tranzystor w danym układzie (poniżej znajduje się obszar zatkania). Ze strony lewej ograniczenie
stanowi obszar nasycenia, a z prawej krzywa (hiperbola) P = U · I, która określa maksymalną moc
jaka może być wydzielana na tranzystorze. Wartość napięcia przebicia stanowi dodatkowe ograni-
czenie U

CB

lub U

CE

.

6. Schematy zastępcze

Tranzystor bipolarny jest ogólnie elementem nieliniowym. Powoduje to zasadnicze trudności

analizy układów elektronicznych z tranzystorami. Znacznym ułatwieniem jest stosowanie modeli o
różnych schematach zastępczych i różnym stopniu złożoności. Jeden z takich schematów przedsta-
wia rys.9. Wartości parametrów wyznaczane są dla danego tranzystora w danym punkcie pracy na
podstawie pomiarów określonych charakterystyk.

h

21e

i

b

h

12e

u

ce

h

11e

h

22e

u

be

u

ce

b

e

c

e

i

b

0

2

1

1

11





u

i

u

e

h

Impedancja (rezystancja) wejściowa.

0

1

2

1

12





i

u

u

e

h

Współczynnik oddziaływania zwrotnego.

0

2

1

2

21





u

i

i

e

h

Współczynnik wzmocnienia prądowego.

0

1

2

2

22





i

u

i

e

h

Admitancja (konduktancja) wyjściowa.

Rys. 9. Schemat zastępczy z oznaczeniami dla układu WE i definicje parametrów typu h tranzystora.