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, że 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

można stwierdzić, że 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), gdyż zbiera
ładunki.

Rys. 2. Symbole graficzne tranzystora bipolarnego i diodowe schematy zastępcze

Występujące dwa modele tranzystorów PNP i NPN funkcjonują identycznie, różnice

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 niż

warstwa bazy. Jeżeli 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. Ponieważ 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 duże 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 dużej 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. Ponieważ 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 dużo (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobliże
złącza kolektor-baza są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedużej szerokości obszaru p
(bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora.

Rys. 5. Tranzystor jako wzmacniacz

Jeżeli 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, można zmieniać rezystancję kolektor-emiter
tranzystora. Następstwem tego jest zmiana prądu kolektora, znacznie większa niż zmiana
prądu bazy.

SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium

Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego

3

Jeżeli w obwód włączymy rezystor R

C

, to wskutek spadku napięcia na tym rezystorze

zmienia się także napięcie kolektor-emiter tranzystora. Zmiana tego napięcia jest znacznie
większa niż 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 można opisać na podstawie jego charakterystyk statycznych.

Dla każdego z trzech układów pracy tranzystora podaje się zwykle dwie charakterystyki:
wejściową i wyjściową. Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności 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 poniżej:

Rys. 6. Charakterystyki tranzystora: charakterystyka wejściowa i charakterystyka wyjściowa

Na charakterystyce wyjściowej wyraźnie widać, że wartość prądu kolektora zależy od

prądu bazy, podwyższenie różnicy potencjałów między kolektor-emiter nieznacznie tylko
wpływa na wzrost wartości prądu.

Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza tranzystorowego

Z własności tranzystora wynika, że jego właściwości wzmacniające są ściśle zależne od

zakresu częstotliwości wzmacnianych sygnałów.

Zależność 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 sprzężeniem

kolektorowym, c) z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym

W układzie pierwszym (rys. 7a) baza jest zasilana przez rezystancję R

B

. Napięcie

polaryzacji bazy zależy 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

dużej zależności 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 sprzężeniu zwrotnemu

wzmacniacz jest mniej wrażliwy na temperaturowe zmiany parametrów tranzystora.

W układzie trzecim (rys. 7c) baza jest zasilana z dzielnika napięcia R

1

, R

2

, a ujemne

sprzężenie zwrotne polepszające stabilność temperaturową układu uzyskuje się na oporniku
emiterowym R

e

, zbocznikowanym kondensatorem o dużej 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. Poniżej 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, aż do stanu nasycenia.

W

tym

stanie

prąd

bazy

jest

maksymalny, rezystancja złącza kolektor-
emiter dąży do zera i napięcie wyjściowe,
które jest spadkiem napięcia na tym złączu
również dąży 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 użyto 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 możliwość wzmacniania zarówno dodatnich jak i

ujemnych półokresów napięcia sinusoidalnego. P

Przy półokresie dodatnim tranzystor może osiągnąć stan nasycenia i w konsekwencji

napięcie wyjściowe spadnie do 0,2 V. Przy półokresie ujemnym tranzystor zacznie się
przytykać a napięcie na wyjściu zbliży 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.

Jeżeli 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 sprzężenie 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 sprzężenie 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 sprzężenie sygnału na
GND a wzmocnienie na 2 V, pokrętłem ustawić sygnał odniesienia (zwarcie do GND)
na poziomie 1 kratki od dołu. Ponownie ustawić sprzężenie 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 sprzężenie
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

.