AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
WYDZIAŁ INŻYNIERII
MECHANICZNEJ I ROBOTYKI
KATEDRA ROBOTYKI I
MECHATRONIKI
Elektronika w mechatronice
Sprawozdanie 3. Tranzystor bipolarny –
charakterystyki i układy pracy
Opracowali: Marek Miodunka, Tomasz Strzałka
Cel ćwiczenia:
Celem tego ćwiczenia jest poznanie zasad funkcjonowania i praktycznego
wykorzystania tranzystorów bipolarnych. Podczas wykonywania kolejnych zadań student
powinien zrozumieć zasadę działania tych elementów, poznać ich podstawowe parametry oraz
charakterystyki i zaznajomić się z najczęstszymi ich zastosowaniami.
Zadanie 1.
Rysunek 1. Układ dobadania charakterystyk tranzystorów bipolarnych
Zbudowano układ do badania charakterystyk tranzystorów bipolarnych (przedstawiony na
rys.1). Wartość napięcia V1 zmienia się od wartości 0.001V do 1V z krokiem 0.01V, natomiast
wartość napięcia V2 jest stała i wynosi 100V. Wartość R1 wynosi 1000 Ω. Temperatura
otoczenia wynosi 25°C.
Symulacja typu DC Sweep
Przeprowadzenie symulacji typu DC Sweep pozwoliło wyznaczyć zależność między prądem
kolektora, a napięciem bramka - emiter (wykres 1).
Wykres 1. Zależność między prądem kolektora i napięciem bramka-emiter
W notach katalogowych przedsiębiorstwa Vishay można znaleźć następującą charakterystykę
(wykres 2.):
Wykres 2 Zależność między prądem kolektora i napięciem bramka-emiter – nota katalogowa.
Można zauważyć, że powyższe charakterystyki nie są identyczne. Wykres otrzymany
w LT Spice jest ma inny kształt oraz jest nieco przesunięty względem tego z noty katalogowej.
Przeprowadzono kolejne symulacje dla innych temperatur otoczenia: 100°C (wykres 3) i -50°C
(wykres 4).
Wykres 3. Zależność między prądem kolektora i napięciem bramka-emiter w temperaturze 100°C
Wykres 4. Zależność między prądem kolektora i napięciem bramka-emiter w temperaturze -50°C
Otrzymane zależności potwierdzają zależność prądu kolektora od temperatury, lecz dla tych
temperatur również charakterystyki są innego kształtu i są nieco przesunięte.
Wyznaczenie wartości 𝑯
𝑭𝑬
Wzmocnienie prądowe tranzystora można wyznaczyć ze wzoru:
𝐻
𝐹𝐸
=
𝐼
𝐶
𝐼
𝐵
W celu wyliczenia wzmocnienia znaleziono (dla temperatury otoczenia 25°C i
𝑉
𝐶𝐸
= 5𝑉) punkt
na wykresie, dla którego wartość 𝐼
𝐶
jest najbliżej 2mA. Punkt ten to:
𝐼
𝐶
= 1,9707975𝑚𝐴, 𝑉
1
= 643𝑚𝑉.
Dla tej wartości 𝑉
1
,
𝐼
𝐵
= 4,1898597𝜇𝐴. Zgodnie z definicją:
𝐻
𝐹𝐸
=
1,9707975𝑚𝐴
4,1898597𝜇𝐴
≈ 470,4
Wynik ten może być obarczony błędami numerycznymi. Zgodnie z notą katalogową dla tego
punktu pracy
𝐻
𝐹𝐸
= 600.
Zależność prądu kolektora od napięcia kolektor-emiter
Zbudowano układ pozwalający na wyznaczenie zależności prądu kolektora od napięcia
kolektor-emiter (rys. 2).
Rysunek 2. Układ pozwalający wyznaczyć zależności prądu kolektora od napięcia kolektor-emiter
Wartość napięcia V1 zmienia się od wartości 1V do 3.1V z krokiem 0.3V, natomiast wartość
napięcia V2 zmieia się od 0.001V do 15V z krokiem 0.01V.
Po przeprowadzeniu symulacji otrzymano następujący wykres:
Wykres 5. Zależność prądu kolektora od napięcia kolektor-emiter dla kilku wartości prądu bazy
W notach katalogowych znaleziono odpowiednią charakterystykę (wykres 6). Wykresy
pochodzące z not katalogowych są tego samego kształtu, co pochodzące z symulacji w LT
Spice. Niestetynie jest możliwa ich dogłębna analiza, gdyż w LT Spice na wykresie nie są
podane wartości prądu bazy.
Wykres 6.Zależność prądu kolektora od napięcia kolektor-emiter - noty katalogowe
Zadanie 2.
Układ wspólnego emitera
Zbudowano układ, w którym tranzystor pracuje w układzie wspólnego emitera (rys. 3). Układ
wspólnego emitera jest jednym z podstawowych układów wzmacniaczy na tranzystorach
bipolarnych. Układ ten jest stosowany w zakresie niezbyt wysokich częstotliwości (np. we
wzmacniaczach częstotliwości akustycznych). Zapewnia stosunkowo wysokie wzmocnienie
napięciowe. Wzmocnienie prądowe również jest znacznie większe od jedności.
Rysunek 3. Układ wspólnego emitera
Na wejście 𝑉
2
podano sygnał sinusoidalny o niewielkiej amplitudzie i przeprowadzono
symulację. Sygnał wejściowy i wyjściowy przedstawiono na wykresie 7.
Rysunek 4. Układ wspólnego emitera - sygnał wejściowy i wyjściowy
Jak można zauważyć, sygnał wyjściowy nie został zniekształcony. Jest jedynie
przesunięty w fazie względem sygnału wejściowego.
Układ wspólnej bazy
Skonstruowano układ, w którym tranzystor pracuje w układzie wspólnej bazy (rys. 5). Układ
wspólnej bazy charakteryzuje się wzmocnieniem napięciowym większym od jedności oraz
niską impedancją wejściową. Układ ten jest często stosowany we wzmacniaczach wysokiej
częstotliwości (np. głowicach UKF).
Rysunek 5. Układ wspólnej bazy
Przeprowadzono symulację, w której na wejście podano sygnał sinusoidalny o małej
amplitudzie. Otrzymany sygnał wyjściowy przedstawiono na wykresie 7.
Wykres 7. Układ wspólnej bazy - sygnał wejściowy i wyjściowy
Analogicznie jak w poprzednim przypadku sygnał wyjściowy nie jest zniekształcony ani
wzmocniony – jest jedynie przesunięty w fazie względem sygnału wejściowego.
Układ wspólnego kolektora
Następnie skonstruowano układ, w którym tranzystor pracuje w układzie wspólnego kolektora.
Układ wspólnego kolektora charakteryzuje się wzmocnieniem napięciowym równym jeden –
na wyjściu otrzymuje się powtórzone napięcie z wejścia. Dlatego też układy te są nazywane
również wtórnikami emiterowymi. Innymi cechami takich układów są: wysokie wzmocnienie
prądowe, wysoka impedancja wyjściowa i niska wejściowa. Wtórniki emiterowe stosowane są
do wysterowania następnych stopni wzmacniaczy dużej mocy.
Rysunek 6. Układ wspólnego kolektora
Również w tym przypadku podano na wejście sygnał sinusoidalny o małej amplitudzie i
przeprowadzono symulację. Otrzymane sygnały przedstawiono na wykresie 8.
Wykres 8. Układ wspólnego kolektora - sygnał wejściowy i wyjściowy.
W tym przypadku sygnał wyjściowy nie jest przesunięty w fazie, ma natomiast nieco mniejszą
amplitudę od sygnału wejściowego.
Zadanie 3.
Tranzystory połączone w układ Darlingtona
Skonstruowano układ, w którym tranzystory bipolarne zostały połączone w układ Darlingtona
(rys. 7). Jest to
układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczególnie dużym
wzmocnieniu, w którym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z
bazą drugiego stopnia wzmacniającego, a kolektory obu tranzystorów są połączone ze sobą.
Prąd emitera pierwszego tranzystora równy jest więc prądowi bazy drugiego, a prądy
kolektorów obu tranzystorów sumują się.
Rysunek 7. Układ Darlingtona
Poszczególne wartości zostały tak, by otrzymać niezniekształcony sygnał wyjściowy. Jak
można zauważyć na wykresie 8 – sygnał wyjściowy jest identyczny jak sygnał wejścowy.
Wykres 8. Sygnał wejściowy i wyjściowy - układ Darlingtona
Tranzystory połączone w parę Sziklaiego
Skonstruowano układ, w którym tranzystory zostały połączone w parę Sziklaiego. Jest to układ
wzmacniacza podobny do układu Darligtona.
Różnicą jest fakt, że emiter pierwszego
tranzystora połączony jest z kolektorem drugiego, natomiast kolektor pierwszego tranzystora
steruje wprost bazą drugiego. Układ Sziklaiego eliminuje jedną z wad układu Darlingtona,
polegającą na potrzebie stosowania podwyższonego (de facto podwojonego) napięcia
polaryzującego pierwszy stopień wzmacniacza.
Rysunek 8. Para Sziklaiego
Dobrano parametry tak, by sygnał wyjściowy był identyczny jak sygnał wejściowy (wykres 9).
Wykres 9. Sygnał wejściowy i wyjściowy - Para Sziklaiego
Wnioski
Charakterystyki otrzymywane w LTspice są zbliżone do znalezionych w notach
katalogowych. Możliwymi przyczynami różnic są m.in. błędy numeryczne oraz
niedokładne odzwierciedlenie rzeczywistego układu przez LTSpice.
Istnieje zależność pomiędzy temperaturą ustawienia a charakterystykami tranzystora.
Istnieje szereg różnorodnych układów konstruowanych na bazie tranzystorów.
Korzystając z nich możemy osiągnąć różne zniekształcenia sygnału wejściowego.
Odpowiednio dobierając parametry można jednak, dla każdego z tych układów, sprawić
by sygnał wyjściowy był niezniekształconym sygnałem wejściowym.