Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

1

Zespół Szkół
Elektryczno-Mechanicznych
w Nowym Sączu

Podstawy elektrotechniki i elektroniki

Moduł ogólny O1

Rok szkolny

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

Nazwisko i imię:

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

Temat ćwiczenia:

Badanie tranzystora bipolarnego

Szkoła...................................
Klasa.....................................
Grupa / Zespół.....................

Data wykonania:

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

Potwierdzenie:

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

Data.......................
Ocena....................
Podpis....................

Wiadomości teoretyczne:

Tranzystor bipolarny stanowi kombinację dwóch półprzewodnikowych złączy p-n,

wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika niesamoistnego. Możliwe jest przy tym
dwojakie uszeregowanie obszarów o różnym typie przewodnictwa: p-n-p lub n-p-n, dające
dwa przeciwstawne typy tranzystorów.

Właściwości tranzystora opisują rodziny charakterystyk statycznych oraz parametry

dynamiczne. Charakterystyki statyczne są to krzywe, przedstawiające zależności między
prądami i napięciami stałymi lub wolnozmiennymi na wejściu i wyjściu tranzystora.
Rozróżnia się następujące charakterystyki: wejściową, wyjściową, prądową (przejściową) i
sprzężenia zwrotnego. Charakterystyki te podaje się najczęściej dla tranzystora w układzie ze
wspólnym emiterem WE, rzadziej w układzie ze wspólną bazą WB.

Charakterystyki wyjściowe tranzystora w układzie „WE” są graficzną ilustracją

równania I

C

=f(U

CE)

, natomiast

w układzie „WB” równania

I

C

=f(U

CB)

. Parametrem

pierwszej rodziny krzywych jest

prąd bazy I

B

, a parametrem

drugiej rodziny -prąd emitera I

E

.

Na charakterystykach

wyjściowych można wyróżnić

kilka obszarów związanych z

polaryzacją złącz emiter - baza i

kolektor-baza. W stanie

nieprzewodzenia (odcięcia)

zarówno złącze emiter-baza, jak

i złącze kolektor-baza są

spolaryzowane w kierunku

wstecznym (zaporowym). Przy

zerowym prądzie bazy (I

B

=0) w

obwodzie kolektor – emiter

Tranzystor bipolarny

typu p-n-p

I

I

I

E

C

B

E

C

B

Tranzystor bipolarny

typu n-p-n

I

I

I

E

C

B

E

C

B

U

EB

U

EB

U

CB

U

CB

4

8

12

16

I

Cmax

I

C

[mA]

I

B

= 0

I

B

= 20

µΑ

I

B

= 30

µΑ

I

B

= 40

µΑ

I

B

= 50

µΑ

I

B

= 60

µΑ

I

B

= 80

µΑ

I

B

= 70

µΑ

I

B

= 90

µΑ

I

B

= 100

µΑ

P

Cmax

U

sa

t

Zakres

nasycenia

I

C

E

o

Zakres odcięcia

I

C

Charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego w układzie WE.

U

CE

Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

2

płynie prąd nasycenia (zerowy) I

CE0

o niewielkiej wartości. Aby prąd emitera zmalał do zera

(I

E

=0), należy spolaryzować bazę napięciem wstecznym UBE, które dla tranzystorów

germanowych wynosi około 0,1[V], a dla tranzystorów krzemowych jest znacznie mniejsze.
Wtedy w obwodzie kolektor-baza płynie prąd zerowy I

CBO

, o wartości mniejszej od prądu I

CEf

.

Jako stan nieprzewodzenia tranzystora w układzie WE przyjęto I

E

=0, I

C

=I

B

=I

CB0

. W

tranzystorach germanowych małej mocy prąd I

CB0

w temperaturze pokojowej jest rzędu

miliamperów. W podobnych warunkach, w tranzystorach krzemowych prąd I

CB0

jest rzędu

nanoamperów. Prądy zerowe zależą od napięcia kolektora i temperatury złącza. W stanie
aktywnym (przewodzenia aktywnego) złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia,

zaś złącze kolektor-baza w kierunku wstecznym. W tym najpowszechniej

wykorzystywanym obszarze charakterystyk tranzystor pracuje jako element wzmacniający.
Dla układu WE zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego dla prądu stałego
wyrażony jest wzorem:

Praktycznie wykorzystanie stanu aktywnego tranzystora jest ograniczone między

innymi dopuszczalnym napięciem kolektor-emiter U

CEmax

dopuszczalnym prądem kolektora

I

Cmax

oraz dopuszczalną mocą strat P

cmax

.

Ze względu na dopuszczalną moc strat tranzystory dzieli się na: tranzystory małej

mocy (P

Cmax

≤ 0,3W), tranzystory średniej mocy (0,3 ≤ P

Cmax

≤ 1,5W) i tranzystory dużej mocy

(P

Cmax

≥ 1,5W). Przy dużych mocach wydzielanych stosuje się dodatkowe urządzen

i

a

chłodzące, na przykład radiatory. Wartości napięć U

CEmax

są rzędu kilkunastu do kilkuset

woltów, natomiast wartości prądów I

cmax

wynoszą od kilkunastu miliamperów (dla

tranzystorów małej mocy) do kilkunastu amperów (dla tranzystorów dużej mocy).

W stanie nasycenia obydwa złącza są spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Stan

ten odpowiadający „zwarciu" na zaciskach kolektor-emiter charakteryzuje się dużą wartością
prądu I

C

przy bardzo małych napięciach polaryzacji U

CE

. Wartości napięcia nasycenia U

CEsat

wynoszą od około 0,2[V] do kilku woltów. Niektórzy producenci podają w katalogach,
zamiast napięcia U

CEsat

, wartość rezystancji nasycenia r

CEsat

=U

CEsat

/I

C

. Rezystancja r

CEsat

jest

rzędu ułamków do kilkuset omów.

Charakterystyki wejściowe tranzystora w układzie „WE” przedstawiają zależność

U

BE

=f(I

B

) przy napięciu U

CE

, które jest parametrem.

Charakterystyka prądowa w układzie „WE” jest graficznym przedstawieniem

zależności I

C

=f(I

B

) przy U

CE

=const.

Charakterystyki sprzężenia zwrotnego w układzie „WE” pokazują zależność

U

BE

=f(U

CE

) przy I

B

=const.

Parametry różniczkowe są wielkościami opisującymi właściwości tranzystora dla

małych sygnałów prądu zmiennego. Tranzystor przedstawia się jako czwórnik liniowy. Dla
takiego czwórnika dwa równania, nazywane parą równań czwórnika, wiążą ze sobą napięcia
i prądy zmienne występujące na jego wejściu i wyjściu. Z sześciu możliwych par równań w
układach tranzystorowych są stosowane trzy. Występujące w tych równaniach parametry są
nazywane impedancjami [Z], admitancjami [Y] i mieszanymi [h]. Tworzą one odpowiednie
macierze. Przy wszystkich parametrach podaje się dodatkowy indeks (b, e lub c), wskazujący
na układ połączeń tranzystora. Najczęściej używa się macierzy parametrów [h] i [y] - przy
czym tę ostatnią zwłaszcza przy wielkich częstotliwościach. Sens fizyczny parametrów [h] jest
następujący:

β

O

=

I

C

I

B

Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

3

W zakresie małych częstotliwości wymienione parametry różniczkowe są rzeczywiste,

natomiast w zakresie wielkich częstotliwości są zespolone, a ich części rzeczywiste i urojone
stanowią funkcje częstotliwości. Ze względu na właściwości częstotliwościowe tranzystora
szczególnie istotną rolę odgrywają:
-częstotliwość f

α

, przy której moduł zwarciowego współczynnika wzmocnienia prądowego h

21b

tranzystora w układzie „WB” zmniejszy się o 3dB w stosunku do wartości występującej przy
małej częstotliwości,

-częstotliwość f

β

, przy której moduł zwarciowego współczynnika, wzmocnienia prądowego

h

21e

tranzystora w układzie „WE” zmniejszy się o 3dB w stosunku do wartości występującej

przy małej częstotliwości,

-częstotliwość f

T

, określona jako iloczyn modułu współczynnika wzmocnienia prądowego h

21e

i częstotliwości pomiarowej w obszarze, w którym moduł ten zmniejsza się z szybkością
20dB/dekadę.

Ze względu na wartość częstotliwości f

T

tranzystory dzieli się na: małej częstotliwości

(f

T

<3MHz), średniej częstotliwości (3MHz < f

T

<30MHz), wielkiej częstotliwości(30MHz <

f

T

<300MHz) i bardzo wielkiej częstotliwości (f

T

>300MHz).

W przypadku impulsowej pracy tranzystora istotna jest znajomość procesów

przejściowych pomiędzy stacjonarnymi stanami tranzystora, którymi są stan odcięcia
(zablokowania) i stan nasycenia. Czasy trwania tych procesów zależą zarówno od
właściwości układu, w którym pracuje tranzystor, jak i od właściwości samego tranzystora.
Wyróżnia się następujące czasy przełączania:
-czas opóźnienia t

d

, jest to przedział czasu między chwilą doprowadzenia do zacisków

wejściowych impulsu przełączającego tranzystor ze stanu zablokowania do stanu nasycenia
a pojawieniem się na zaciskach wyjściowych impulsu. Czas ten jest mierzony zwykle na
poziomie odpowiadającym 10% amplitudy impulsu wejściowego i wyjściowego;

-czas narastania t

r

, jest to przedział czasu, w którym wartość impulsu wyjściowego osiąga

odpowiednio dolną i górną granicę, wybrane zwykle jako 10% i 90% amplitudy impulsu
wyjściowego;

-czas magazynowania t

s

, jest to przedział czasu, między początkiem opadania impulsu

doprowadzonego do zacisków wejściowych a początkiem opadania impulsu na zaciskach
wyjściowych. Czas ten jest mierzony zwykle między 90% amplitudy obydwu impulsów;

-czas opadania t

f

, jest to przedział czasu, w którym wartość impulsu na zaciskach

wyjściowych tranzystora osiąga określone granice, wybrane między 90% a 10% amplitudy
impulsu wyjściowego.

Czas opóźnienia t

d

i czas narastania t

r

składają się na czas włączania t

on

tranzystora

t

on

=t

d

+t

r

Suma czasów magazynowania t

s

i opadania t

f

stanowi czas wyłączania t

off

tranzystora

t

off

=t

s

+t

f

h = - impedancja wejściowa przy zwartym wyjściu,

11

u

i

1

1

u =0

2

h = - współczynnik sprzężenia zwrotnego przy rozwartym wejściu,

12

u
u

1

2

i =0

1

h = - współczynnik wzmocnienia prądowego przy zwartym wyjściu,

21

i
i

2

1

u =0

2

h = - admitancja wyjściowa przy rozwartym wejściu.

22

i
u

2

2

i =0

1

Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

4

Zadania przygotowawcze:

1.Jakimi równaniami możemy opisywać czwórniki?
2.Podaj własności układów „WE”, „WB” i „WC”.
3.Jaki jest wpływ temperatury na własności tranzystora bipolarnego?
4.W oparciu o katalogi zapoznaj się z symboliką oznaczeń tranzystorów bipolarnych.
5.Wymień katalogowe parametry graniczne tranzystora bipolarnego.
6.Podaj zasady doboru tranzystora bipolarnego.

Program ćwiczenia:

1.Zapoznaj się z katalogowymi parametrami badanego tranzystora.

Symbol....................

P

tot

=............…... [W]

I

C

=..................... [A]

I

CM

= .................. [A]

I

B

=...................... [A]

U

CE0

=..........[V]

h

21e

=............[A/A]

f

T

=...............[MHz]

t

off

=..............[

µ

s]

2.Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego w układzie „WE”.

Charakterystyki statyczne tranzystorów bipolarnych możemy wyznaczyć metodą

„punkt po punkcie" lub „metodą oscyloskopową”. Metoda „punkt po punkcie" sprowadza się
do nastawiania oraz odczytu wartości poszczególnych napięć i prądów. Schemat układu
pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych tranzystora bipolarnego w układzie
„WE” przedstawia rysunek.

Tranzystor jest zasilany z dwóch zasilaczy stabilizowanych napięcia stałego,

umożliwiających nastawianie określonych wartości napięć. Pomiar prądów dokonywany jest
metodą pośrednią poprzez pomiar napięć na znanych rezystancjach. Do pomiaru prądów i
napięć zaleca się użycie woltomierzy cyfrowych. Podczas pomiarów nie należy przekraczać
dopuszczalnych wartości prądów, napięć oraz mocy, podanych w danych katalogowych
badanego tranzystora. Należy również zwrócić uwagę, aby badany tranzystor nie nagrzewał
się nadmiernie podczas pracy, co może być przyczyną dużych błędów pomiarowych.

2.1.Wyznaczanie charakterystyki wyjściowej I

C

=f(U

CE

) i sprzężenia zwrotnego U

BE

=f(U

CE

).

W celu wyznaczenia obu charakterystyk jako parametr ustawiamy prąd bazy I

B

.

Pomiary wykonujemy dla trzech wartości prądu I

B

notując wyniki w tabeli. W oparciu o

otrzymane wyniki sporządzamy charakterystyki.

V

B

V

C

V

BE

V

CE

R

e

g

u

lo

wa

n

y

za

si

la

c

z

p

rą

d

u

s

ta

łe

g

o

R

e

g

u

lo

wa

n

y

za

si

la

c

z

p

rą

d

u

s

ta

łe

g

o

R

B

R

C

+

+

-

--

R =..........[k

Ω

]

B

C

R =..........[k

Ω

]

Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

5

Charakterystyka wyjściowa I

C

=f(U

CE

) dla I

B

=const.

Charakterystyka sprzężenia zwrotnego U

BE

=f(U

CE

) dla I

B

=const.

2.2.Wyznaczanie charakterystyki wejściowej I

B

=f(U

BE

) i prądowej I

C

=f(I

B

).

W celu wyznaczenia obu charakterystyk jako parametr ustawiamy napięcie U

CE

.

Pomiary wykonujemy dla trzech wartości napięcia U

CE

notując wyniki w tabeli. W oparciu o

otrzymane wyniki sporządzamy charakterystyki.

Z charakterystyk otrzymanych w punkcie „2.1”i „2.2” wyznacz parametry „h”

badanego tranzystora w układzie wspólnego emitera. Obliczeń parametrów „h” dokonaj w
punkcie „3f”.

U

BE

U

CE

U

c

I

c

V

mA

V

V

U =........[V]

B

I =........[mA]

B

1

2

3

4

5
6

L

P

g

d

zi

e:

c

I

=

U

c

R

c

B

I

=

U

B

R

U

BE

U

CE

U

c

I

c

V

mA

V

V

U =........[V]

B

I =........[mA]

B

U

BE

U

CE

U

c

I

c

V

mA

V

V

U =........[V]

B

I =........[mA]

B

B

;

7

Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

6

Charakterystyka wejściowa I

B

=f(U

BE

) dla U

CE

=const.

Charakterystyka prądowej I

C

=f(I

B

) dla U

CE

=const.

3.Uwagi i wnioski.
a)Narysuj schemat zastępczy tranzystora w układzie „WE”.

U

BE

U

c

I

c

V

mA

V

U =........[V]

CE

1

2

3

4

5

6

7

L

P

U

B

I

B

V

mA

U

BE

U

c

I

c

V

mA

V

U =........[V]

CE

U

B

I

B

V

mA

U

BE

U

c

I

c

V

mA

V

U =........[V]

CE

U

B

I

B

V

mA

gdzie:

c

I =

U

c

R

c

B

I =

U

B

R

B

;

Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

7

b)Zaprojektuj układ pomiarowy do wyznaczenia napięcia nasycenia tranzystora bipolarnego.











c)Zaprojektuj układ pomiarowy do wyznaczenia zwarciowego współczynnika wzmocnienia

prądowego.

d)Zaprojektuj układ pomiarowy do wyznaczania prądów zerowych tranzystora bipolarnego.













e)Wyjaśnij pracę tranzystora bipolarnego jako klucza.

Badanie tranzystora bipolarnego
Opracował: mgr inż. Roman Maciak
Zatwierdził: Dyrektor Szkoły mgr Walenty Szarek

8

f)Z charakterystyk otrzymanych w punkcie „2.1”i „2.2” wyznacz parametry „h” badanego

tranzystora w układzie wspólnego emitera i porównaj je z danymi katalogowymi.