UKŁADY POLARYZACJI I STABILIZACJI

PUNKTU PRACY TRANZYSTORÓW

1. WSTĘP

Tematem ćwiczenia są podstawowe zagadnienia polaryzacji i sta­bi­lizacji punktu pracy tranzystorów bipolarnych. Na wstępie ćwiczenia dokonuje się pomiarów niektórych parametrów tranzystora (β₀, U_BE ) oraz ich zależności od temperatury. Wyniki tych pomiarów wykorzystuje się do samodzielnego obliczenia trzech następujących układów pola­ry­za­cji tranzystora badanego:

• z zasilaniem stałym prądem bazy,

• z ujemnym sprzężeniem zwrotnym prądowym-szeregowym, repre­zen­tujący grupę układów wykorzystujących do polaryzacji ujemne sprzężenie zwrotne,

• z zasilaniem stałym prądem emitera.

Po samodzielnym zmontowaniu układów polaryzacji bada się i po­rów­nu­je ich właściwości. Ponadto, w ostatniej części ćwiczenia, badany jest układ skompensowanego termicznie źródła prądowego.

Celem ćwiczenia jest przedstawienie podstawowych idei polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora pracującego w układzie wzmacniacza - a więc stabilizacji za pomocą sprzężenia zwrotnego, źródeł prądowych oraz kompensacji cieplnej. Drugim celem ćwiczenia jest ugruntowanie umiejętności obliczania układów polaryzacji tranzystorów bipolarnych.

1. OPIS TECHNICZNY UKŁADÓW BADANYCH

1. Układy polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora bipolarnego (wkładka DA021A)

Rys.1. Schemat układu scalonego UL1111 (widok z góry).

Schemat ideowy wkładki DA021A przedstawiono na rys.2. Tranzystor badany T1 jest jednym z pięciu identycznych tranzystorów układu scalonego UL1111(rys.1). We wkładce DA021A znajdują się dwa ukła­dy pomiarowe. W pierwszym z nich można dokonać pomiaru statycznego, zwarciowego wzmoc­nienia prądowego β₀ tranzystora badanego - oraz pomiaru napięcia baza-emiter U_BE.

Rys.2. Schemat ideowy wkładki DA021A.

W drugim układzie można zrealizować, wymienione we wstępie, trzy układy polaryzacji tranzystora badanego T1. Tranzystor ten może być przełączany za pomocą przełącznika "T, P" umieszczonego na płycie czołowej wkładki, albo do układu pomiaru parametrów (wciśnięcie klawisza "T") albo do układu, w którym można realizować polaryzację tego tranzystora (wciśnięcie klawisza "P").

Rys.4. Uproszczony schemat ideowy układu do pomiarów parametrów tranzystora (wkładka DA021A, wciśnięty klawisz „T”).

Rys.3. Płyty czołowe wkładek DA021A i DA021B.

W układzie z rys. 2 wyjaśnienia wymaga rola kondensatora C1, diody D1 oraz wzmacniacza operacyjnego μA741 (US2). Kondensator C1 jest źródłem polaryzującym bazę tranzystora T6 w momencie przełączania napięcia U_C i nie dopuszcza do wyłączenia tego tranzystora. Przez diodę D1 płynie prąd wyjściowy źródła prądowego T7 w czasie kiedy emiter tranzystora T₁ jest odłączony od tego źródła (klawisz "T" zwolniony). Wzmacniacz operacyjny μA741 (US2) utrzymuje potencjał emitera tranzystora T₁ na poziomie bliskim 0V oraz polaryzuje bazę tranzystora T₁ prądem płynącym przez rezystor RI.

Płytę czołową wkładki DA021A pokazano na rys. 3.

Układ do pomiaru parametrów tranzystora T₁ - którego upro­szczo­ny schemat przedstawiono na rys. 4 - umożliwia:

Rys.5. Uproszczony schemat ideowy układu umożliwiającego zrealizowanie i badanie różnych układów polaryzacji tranzystora T₁ (wkładka DA021A, wciśnięty klawisz „P”).

wymuszenie napięcia na kolektorze tranzystora T₁ - równego 2.5V, 5V lub 7.5V - za pomocą źródła napięcia stałego (T6) regulowanego skokowo przełącznikiem "V_C", znajdującym się na płycie czołowej wkładki. Napięcie U_C jest w przybliżeniu równe napięciu U_CE, ponieważ potencjał emitera tranzystora T₁ jest prawie równy zeru. Wynika to z zasady działania układu pomiarowego ze wzmacniaczem operacyjnym;

wymuszenie stałego prądu emitera tranzystora T₁ - rów­ne­go 0.3mA, 1mA lub 3mA - za pomocą źródła prą­do­wego (T7), regulowanego sko­kowo przełącznikiem "I_E".

Napięcie U_BE tranzystora T₁ mierzone jest w omawianym układzie bezpośrednio, w węźle oznaczonym B (U_BE ≈ U_B). Prąd bazy natomiast określa się pośrednio, wykorzystując do obliczeń wyniki pomiarów napięć w węzłach B i RI. Znając wartość prądów bazy i kolektora można obliczyć współczynnik β₀.

Pomiary wykonuje się przy różnych temperaturach tran­zys­to­ra T₁. Do kontrolowanego pod­grza­nia płytki krzemowej układu scalonego UL1111 służą tran­zys­to­ry T4 i T5 współpracujące z układem sterowania temperaturą (wkładka SA9011). Tranzystor T5 pracuje jako grzejnik i jest połączony z gniazdem "H" na płycie czołowej. Tranzystor T4 jest czujnikiem tempe­ratury i jest połączony z gniazdem "S".

Rys.6. Schematy ideowe badanych u­kła­dów polaryzacji i stabilizacji punktu pra­cy tranzystora bipolarnego.

Wciśnięcie klawisza "P" przełącza badany tranzystor do drugiej części układu, przed­sta­wio­nej w uproszczeniu na rys. 5, która umożliwia zrealizowanie różnych układów polaryzacji tranzystora (rys. 6), uprzednio projektowanych wg założeń podanych w p.2.4. Do zacisków na płytce drukowanej podłącza się rezystory o wartościach samodzielnie obliczonych. W tej części układu bada­nego można mierzyć natężenie prądu kolektora tranzystora T₁ (poprzez pomiar spadku napięcia na rezystorze R10) oraz napięcia kolektora i emitera, w różnych układach polaryzacji i dla różnych temperatur tranzystora T₁.

Rys.7. Uproszczony schemat montażowy płytki drukowanej wkładki DA021A (widok od strony elementów).

Schemat montażowy płytki drukowanej, pokazujący roz­miesz­cze­nie zacisków i przełączników suwakowych (w widoku od strony ele­men­tów), przedstawiono na rys. 7.

1. Źródło prądowe (wkładka DA021B)

Wkładka DA0213 zawiera układ skompensowanego termicznie źródła prądowego z układem scalonym UL1111.

Rys.8. Schemat ideowy skom­pen­so­wa­nego termicznie źródła prą­do­we­go (wkładka DA021B).

Schemat ideowy źródła przed­sta­wiono na rys. 8. Prąd wyjściowy źródła płynie przez rezystory R3 i R4 symulujące obciążenie.

Natężenie tego prądu można obli­czyć wykorzystując wynik pomia­ru spadku napięcia na rezystorze R3. Tranzystory T4 i T5 pełnią identyczne role jak tranzystory o tych samych oznaczeniach we wkładce DA021A. Płytę czołową wkładki DA021B po­ka­zano na rys. 3.

1. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy po­moc­nicze:

• przełącznik czterokanałowy dc (wkładka SA4022)

• układ sterowania temperaturą (wkładka SA9011)

1. OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE

Obliczenia wstępne dotyczą niektórych elementów układów polaryzacji montowanych w zaciskach wkładki DA021A. Należy wybrać punkt pracy tranzystora T₁, taki, aby można go było zrealizować w układzie do pomiarów I_B i U_BE. Następnie tak zaprojektować badane układy polaryzacji, aby we wszystkich trzech otrzymać wybrany punkt pracy tranzystora T₁.

Należy pamiętać, że kolektor tranzystora badanego nie może być na potencjale niższym niż podłoże układu scalonego (0 V).

Przed ćwiczeniem należy przeprowadzić te obliczenia, które nie wymagają znajomości wartości wzmocnienia prądowego i napięcia baza-emiter tranzystora T₁ w wybranym punkcie pracy. Pozostałe - przeprowadzić w trakcie ćwiczenia.

1. OBSERWACJE I POMIARY

1. Pomiary zależności wybranych parametrów tranzystora od temperatury (wkładka DA021A)

Po wciśnięciu klawisza "T" na płycie czołowej wkładki DA021A badany tranzystor T₁ jest przełączony do układu z rys. 4. W układzie tym należy zmierzyć zależności β₀(T) (pośrednio) i U_BE(T) w wybranym uprzednio punkcie pracy tranzystora T₁, w zakresie temperatur od 30°C do 90°C. Do sterowania temperaturą układu scalonego UL1111 należy użyć wkładki SA9011.

Rys.9. Schemat połączeń układu do pomiarów parametrów tran­zys­tora.

Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys.9.

1. Pomiar stałości punktu pracy tranzystora w różnych układach polaryzacji

Dokończyć obliczenia wartości rezystorów montowanych do układów polaryzacji tranzystora badanego, wykorzystując znane obecnie wartości β₀ i U_BE. Następnie należy:

zmontować układ z zasilaniem stałym prądem bazy i sprawdzić (oraz ewentualnie skorygować), w temperaturze 30°C, otrzymany punkt pracy tranzystora T₁. Zmierzyć i narysować zależności I_C(T) oraz U_CE(T):

zmontować układ z rezystorem emiterowym i sprawdzić (ewentualnie skorygować) punkt pracy tranzystora T₁. Zmierzyć i narysować zależności I_C(T) oraz U_CE(T);

Rys.10. Schemat połączeń układu pomiarowego do badania układów polaryzacji tranzystora.

w przypadku układu ze źródłem prądowym, zrealizowanym w ćwi­czeniu jako wtórnik prądowy (zwierciadło, lustro prądowe), należy najpierw obliczyć nowe wartości rezystorów RB i RC, ozn. RB' i RC' na rys. 6, ponieważ emiter tranzystora T₁ nie będzie na potencjale masy (0V). Następnie należy zmontować układ, sprawdzić (ewentualnie skorygować) punkt pracy tranzystora oraz zmierzyć i narysować zależności I_C(T) i U_CE(T).

Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys. 10.

Zagadnienia:

dla układu z zasilaniem stałym prądem bazy - oszacować jaka część przyrostu prądu kolektora spowodowana jest zmianą napięcia U_BE, a jaka zmianą β₀;

wykazać podobieństwa i różnice między dwoma układami stabilizacji punktu pracy tranzystora: z rezystorem emiterowym i źródłem prądowym;

wyjaśnić otrzymane zależności U_CE(T).

1. Pomiary źródła prądowego wkładka (DA021B)

Zmierzyć zależność prądu wyjściowego źródła od temperatury I_C(T).

Zagadnienia:

wyjaśnić jakościowo, jak zmieniłaby się zależność prądu wyjściowego źródła od temperatury, gdyby w miejsce dwóch diod T2 i T3 włączyć jedną lub trzy diody;

wyjaśnić, czy w układzie źródła prądowego z jedną diodą kom­pen­su­jącą można uzyskać malenie prądu wyjściowego przy wzroście tempe­ratury.

8

7

---