SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
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, \
e 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
mo\
na stwierdzić, \
e tranzystor składa się z dwóch
połączonych ze sobą diod o wspólnej warstwie n lub p.
Jedna z warstw jest z
ródłem 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), gdy\
zbiera
ładunki.
Rys. 2. Symbole graficzne tranzystora bipolarnego i diodowe schematy zastępcze
Występujące dwa modele tranzystorów PNP i NPN funkcjonują identycznie, ró\
nice
występują tylko w kierunkach zewnętrznych z
ródeł 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 ni\

warstwa bazy. Je\
eli 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. Poniewa\
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 du\
e zmiany prądu kolektora.
Występuje zjawisko wzmocnienia prądu.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 1
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Przyjęło się w sposób określony oznaczać napięcia na tranzystorze. Napięcie na
elektrodach tranzystora mierzone względem masy oznaczane jest indeksem w postaci
pojedynczej du\
ej litery C, B lub E i tak na przykład UC oznacza napięcie na kolektorze.
Napięcie między dwoma elektrodami oznacza się podwójnym indeksem, np. dla
napięcia między bazą, a emiterem będzie to UBE.
Na rys. 3 przedstawiony jest tranzystor pracujący w układzie wzmacniacza. Złącze
kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (bateria EC), natomiast złącze baza-emiter w
kierunku przewodzenia (bateria EB).
Na rys. 4 pokazany jest rozpływ prądu w tranzystorze npn. Poniewa\
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 du\
o (obszar p). Wszystkie elektrony, które dotrą w pobli\
e
złącza kolektor-baza są unoszone do obszaru kolektora. Dla niedu\
ej szerokości obszaru p
(bazy) praktycznie wszystkie elektrony wstrzykiwane przez emiter do bazy dotrą do kolektora.
Rys. 5. Tranzystor jako wzmacniacz
Je\
eli 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, mo\
na zmieniać rezystancję kolektor-emiter
tranzystora. Następstwem tego jest zmiana prądu kolektora, znacznie większa ni\
zmiana
prądu bazy.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 2
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Je\
eli w obwód włączymy rezystor RC, to wskutek spadku napięcia na tym rezystorze
zmienia się tak\
e napięcie kolektor-emiter tranzystora. Zmiana tego napięcia jest znacznie
większa ni\
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 mo\
na opisać na podstawie jego charakterystyk statycznych.
Dla ka\
dego z trzech układów pracy tranzystora podaje się zwykle dwie charakterystyki:
wejściową i wyjściową. Charakterystyki statyczne przedstawiają zale\
ności między prądami:
emitera IE, bazy IB, kolektora IC i napięciami: baza-emiter UBE, kolektor-emiter UCE i
kolektor-baza UCB.
Typowy przebieg charakterystyk wejściowych IB=f(UBE) przy UCE=const oraz
charakterystyk wyjściowych IC=f(UCE) przy IB=const tranzystora p-n-p pracującego w
układzie WE przedstawione są na rysunku poni\
ej:
Rys. 6. Charakterystyki tranzystora: charakterystyka wejściowa i charakterystyka wyjściowa
Na charakterystyce wyjściowej wyraz
nie widać, \
e wartość prądu kolektora zale\
y od
prądu bazy, podwy\
szenie ró\
nicy potencjałów między kolektor-emiter nieznacznie tylko
wpływa na wzrost wartości prądu.
Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza tranzystorowego
Z własności tranzystora wynika, \
e jego właściwości wzmacniające są ściśle zale\
ne od
zakresu częstotliwości wzmacnianych sygnałów.
Zale\
ność współczynnika wzmocnienia od częstotliwości sygnału wejściowego nazywa
się charakterystyką częstotliwościową wzmacniacza.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 3
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
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 z
ródła.
a) b) c)
Rys. 7. Układy zasilania wzmacniacza: a) wymuszonym zasilaniem bazy, b) ze sprzę\
eniem
kolektorowym, c) z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzę\
eniem emiterowym
W układzie pierwszym (rys. 7a) baza jest zasilana przez rezystancję RB. Napięcie
polaryzacji bazy zale\
y w tym przypadku od spadku napięcia na rezystancji RB, który
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 4
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
powstaje wskutek przepływu przez nią prądu bazy IBO. Układ taki nie jest korzystny z powodu
du\
ej zale\
ności punktu pracy wzmacniacza od temperatury tranzystora.
Lepszą stabilizację punktu pracy uzyskuje się w układzie drugim (rys. 7b), w którym
opornik RBC włączony jest między bazę a kolektor. Dzięki ujemnemu sprzę\
eniu zwrotnemu
wzmacniacz jest mniej wra\
liwy na temperaturowe zmiany parametrów tranzystora.
W układzie trzecim (rys. 7c) baza jest zasilana z dzielnika napięcia R1, R2, a ujemne
sprzę\
enie zwrotne polepszające stabilność temperaturową układu uzyskuje się na oporniku
emiterowym Re, zbocznikowanym kondensatorem o du\
ej pojemności Ce.
Układ z szeregowym opornikiem w bazie Rb
Rys. 8. Schemat ideowy układu zasilania
Na bazę tranzystora podano przez opornik Rb napięcie sinusoidalnie zmienne z
generatora funkcyjnego o regulowanej amplitudzie sygnału. Poni\
ej wartości 0,7 V tranzystor
pozostawał w stanie zatkania, tzn. nie płynął prąd bazy, rezystancja złącza kolektor-emiter
(Rce) jest bliska nieskończoności, a napięcie wyjściowe z kolektora jest bliskie napięciu
zasilania Uz, będąc pomniejszonym o spadek napięcia na rezystancji kolektora Rc.
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, a\
do stanu nasycenia.
W tym stanie prąd bazy jest
maksymalny, rezystancja złącza kolektor-
emiter dą\
y do zera i napięcie wyjściowe,
które jest spadkiem napięcia na tym złączu
równie\
dą\
y 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.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 5
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
Układ ze wstępną polaryzacją bazy tranzystora
Rys. 10. Schemat ideowy układu zasilania
W układzie tym u\
yto dwóch oporników (Rb1, Rb2), których zadaniem jest wstępna
polaryzacja bazy tranzystora, w celu wyznaczenia punktu pracy. Rezystory Rb1 oraz Rb2
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 RB, czyli mo\
liwość wzmacniania zarówno dodatnich jak i
ujemnych półokresów napięcia sinusoidalnego. P
Przy półokresie dodatnim tranzystor mo\
e osiągnąć stan nasycenia i w konsekwencji
napięcie wyjściowe spadnie do 0,2 V. Przy półokresie ujemnym tranzystor zacznie się
przytykać a napięcie na wyjściu zbli\
y się do napięcia zasilania. Wartość rezystancji Rb1 oraz
Rb2 powinna być tak dobrana, by Rb1=10Rb2. Na wykresach przedstawione są przebiegi napięć
wejściowych i wyjściowych. Kondensatory C1 i C2 mają za zadanie separację składowej stałej
sygnałów wejściowego i wyjściowego.
Je\
eli 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.
Uwe [mV]
t [ms]
Uwy [V]
Uz
0,2
t [ms]
Rys. 11. Wykres przebiegów napięcia wejściowego i wyjściowego w funkcji czasu
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 6
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
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 RC (10 k&!).
2. Połączyć emiter E z wyjściem wspólnym OUT3 (biały) oraz rezystorem RE (1 k&!).
3. Połączyć bazę B z wejściem wspólnym (zielonym). Połączyć rezystor 10 k&! 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 &!. (końcówki zielona i niebieska podłączone poprzez
rozdzielacz do kanału 1 oscyloskopu, końcówka czerwona do kanału 2. Drugi koniec
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 7
SWPW w Płocku Podstawy elektrotechniki i elektroniki - laboratorium
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 sprzę\
enie 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 sprzę\
enie 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 sprzę\
enie sygnału na
GND a wzmocnienie na 2 V, pokrętłem ustawić sygnał odniesienia (zwarcie do GND)
na poziomie 1 kratki od dołu. Ponownie ustawić sprzę\
enie na DC.
16. Odczytać poziom napięcia na zacisku kolektora. Podłączyć zasilanie bazy B poprzez
rezystor 67 k&! do zasilania +V, odczytać poziom napięcia, podłączyć rezystor
10,8 k&! 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 sprzę\
enie
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
Uwej [mV] 1 2 3 5 10 12 14 20 50 70 100
Uwyj [V]
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza
f [Hz] 5 10 50 100 500 1000 10k 50k 80k 100k 150k 175k
Uwy [V]
Uwe [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
Ku
Logf
20logKu
Wyznaczyć pasmo przenoszenia wzmacniacza Bf.
Badanie charakterystyk tranzystora bipolarnego 8