uk£ady polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystorów

uk£ady polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystorów

P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
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 badanego tranzystora ( β ,UBE
) oraz ich zależności od temperatury. Wyniki tych pomiarów wykorzystuje się do samodzielnego obliczania
trzech następujących układów polaryzacji tranzystora bipolarnego :
- z zasilanie stałym prądem bazy
- z ujemnym sprzężeniem zwrotnym prądowo – szeregowym, reprezentujący grupę układów wykorzystujących do stabilizacji punktu pracy ujemne sprzężenie zwrotne
-z zasilaniem stałym prądem emitera.
Po samodzielnym zmontowaniu układów polaryzacji bada się i porównuje ich właściwości.
2. OPIS TECHNICZNY BADANYCH UKŁADÓW
2.1. Układy polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora bipolarnego (wkładka DA021A)
Badanie układów polaryzacji i stabilizacji punktu pracy
tranzystora bipolarnego umożliwia wkładka DA021A Jej płytę
czołową pokazano na Rys.2. Wszystkie badane układy
polaryzacji skonstruowane są w oparciu o ten sam tranzystor T1.
14
13
12
11
10
T5
9
DA 021A
outputs
8
2,5
3
5
1
C
T4
0,3
7,5
E
T1
T3 T2
IE
Vc
R
S
T
1
2
3
4
5
6
7
Rys.1. Schemat układu scalonego UL1111
(widok z góry)
R1
B
P
H
Jest on jednym z pięciu identycznych tranzystorów układu
scalonego UL1111 (patrz Rys.1).
nor
We wkładce DA021A znajdują się dwa odrębne układy
ipe
pomiarowe, które wykorzystują tranzystor T1. W pierwszym z
nich dokonać można pomiaru statycznego, zwarciowego
Rys.2. Płyta czołowa wkładki DA021A
wzmocnienia prądowego β0 badanego tranzystora oraz pomiaru
jego napięcia baza-emiter (UBE). W drugim zaś można realizować wymienione we wstępie trzy układy polaryzacji punktu pracy tranzystora T1. Tranzystor ten może być przełączany, za pomocą przełącznika „T, P"
umieszczonego na płycie czołowej wkładki, albo do układu pomiaru parametrów w funkcji temperatury β0,
UBE = f ( T ) (wciśnięty klawisz T ) albo do układu, w którym można ustawić jego wybraną polaryzację (wciśnięcie P). Układ do pomiaru parametrów β, i UBE tranzystora T1 - którego schemat przedstawiono na Rys.3.
umożliwia :
P.Rz. K.P.E.
2,5V
5V
7,5V
Laboratorium Elektroniki 2FD
a) wymuszenie napięcia na kolektorze tego tranzystora o wartościach: 2.5V, 5V, 7.5V za pomocą źródła napięcia stałego (T6) regulowa-
tranzystor badany T1
Uc
B
+15V
100k;0,2%
RI
_
0,3mA
1mA
3mA
nego skokowo. Napięcie UC jest tu w przybliżeniu równe napięciu UCE, ponieważ potencjał emitera tranzystora T1 jest prawie równy
zero.
b) wymuszenie stałego prądu emitera tranzystora
T1 – o wartościach: 0,3 mA ,1 mA lub 3 mA za pomocą źródła prądowego (T7), regulowanego skokowo.
Napięcie UBE (patrz Rys.3) mierzone jest w
omawianym układzie bezpośrednio, w węźle
oznaczonym jako B (UBE ≈ UB).
RI
+
-15V
IE
Rys.3. Uproszczony schemat ideowy układu do
pomiarów parametrów β0, UBE.
+15V
C1 220nF
+15V
R1
7,5k
7,5
R2
2,4k
3,3k
8
S
T1
13
T7
BC147
BAVP17
R6
6
C
RB
UBB
+5V
R11 5,1k
12
T4 T5
10
C2
1nF
R
R10
1k
0,5%
7
sterowanie temp.
R7
47k 43k
E
H
T
US1
UL1111
+15V
P
RE
R
R9
2,2k
4
R8
20k
źródło prądu IE
+15V
11
5
-15V
1
C
14
11
9
0,3
+15V
2,5
+15V
R5
18k
R
tranzystor badany
źródło napięcia Uc
D1
UCC
T1
BC147
5
R3
2,4k
R4
2003/10/01
RI
10
US2
100k
0,2%
R12
4,7k
B
1
T3
RI
2 4
3
6
-15V
mA741
układ do pomiaru U , I
BE B
RE
R13
3,3k
5
RE
T2
3
-15V
układ polaryzacji
3
U CC
Rys.4.Schemat ideowy badanej wkładki DA021A
Prąd bazy natomiast określa się pośrednio ,wykorzystując do jego
obliczeń wyniki pomiarów napięć w węzłach B i wartości rezystora
R1. Znając wartości prądów: bazy i kolektora można obliczyć współczynnik β0. Pomiary wykonuje się przy różnych temperaturach pracy
tranzystora T1. Do kontrolowanego podgrzewania płytki układu scalonego UL1111 służą tranzystory T4 ,T5 współpracujące z układem
sterowania temperaturą (patrz Rys.4.). 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". W układzie z Rys.4. kondensator C1 jest źródłem polaryzującym
bazę tranzystora T6 w momencie przełączania napięcia UC 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.
Druga część ćwiczenia umożliwia realizowanie różnych układów
polaryzacji tranzystora (Rys.5.), uprzednio projektowanych wg. zało-
RC
RB
R 11
U BB
R
R 10
1k;0,5%
C
5,1k
E
RE
+15V
R
T3
R E R 13
3k
R 12
4,7k
RE
-15V
T2
Rys.5. Schemat ideowy układu umożliwiającego zrealizowanie i badanie różnych układów polaryzacji tranzystora T1
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
żeń podanych w obliczeniach wstępnych projektowych. Do zacisków na płytce drukowanej podłącza się rezystory (patrz Rys.6.) o wartościach samodzielnie obliczonych. W tej części układu badanego można mierzyć
natężenie prądu kolektora tranzystora T1 (w sposób
U CC
U CC
analogiczny jak omawiany wcześniej prąd IB czyli
RC
Układ 2
RC
różnica potencjałów w punktach R i C przez wartość Układ 1
rezystora R10) oraz napięcia kolektora i emitera, w
T1
T1
U BB R
różnych układach polaryzacji i dla różnych tempera- U BB R B
B
tur tranzystora T1.
R
U CC
RB
Układ 3
RE
RC
US1
US2
1
2 RE
R
RE
Rys.6. Uproszczony schemat montażowy płytki drukowanej wkładki DA021A (widok od strony elementów)
+15V
R
U BB R'
B
T3
R'C
E
-15V
T1
T2
Rys.7. Schematy ideowe badanych układów polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora
Do wyboru jednego z widocznych na Rys.7. układów polaryzacji tranzystora T1 służą umieszczone na płytce
drukowanej dwa przełączniki suwakowe. Przełącznik oznaczony jako 1 ustawiony w pozycji ” ” pozwala
mierzyć układ 1 (ze stałym prądem bazy). Przesunięcie przełącznika 1 w prawo do pozycji ” RE” umożliwia włączenie do pomiaru pozostałych dwóch układów polaryzacji tranzystora T1. Układy te wybieramy przełącznikiem 2. Jeśli jest on ustawiony w pozycji ”
” to wkładka pomiarowa przystosowana jest do badania
tranzystora w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym prądowo – szeregowym (układ 3 na Rys.7.) natomiast przesunięcie tego przełącznika do pozycji ” R E ” umożliwia pomiar badanego tranzystora w układzie ze
stałym prądem emitera (układ 2).
3. OBLICZENIA WSTĘPNE 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 IB i UBE. (patrz. Rys.3.). Następnie tak zaprojektować badane układy polaryzacji, aby we wszystkich trzech otrzymać wybrany punkt pracy tranzystora T1. Sprowadza się to do wyliczenia wartości rezystorów w układach 1,2,3 na Rys.7. dla tego samego (wybranego przez siebie z Rys.3.) punktu pracy tranzystora
T1 przy znanych pozostałych wartościach napięć w liczonych obwodach (odczytanych ze schematu ideowego
na Rys.4). 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. Chodzi tu o to aby wyliczyć przed zajęciami te wartości rezystorów, gdzie nie
potrzebna jest znajomość współczynnika β tranzystora T1 natomiast tam gdzie jest ona niezbędna należy wyprowadzić wzory końcowe na wartości rezystorów w poszczególnych układach. Umożliwi to szybkie policzenie ich wartości po zmierzeniu β w początkowej fazie ćwiczeń.
4. POMIARY I OBSERWACJE
4.1. Pomiary zależności wybranych parametrów tranzystora od temperatury (wkładka DA021A).
W układzie do pomiarów parametrów tranzystora T1 należy zmierzyć zależność β0(T) (pośrednio) i
UBE(T) w wybranym uprzednio do obliczeń projektowych punkcie pracy tranzystora T1, w zakresie temperatur od 30 do 90 C. Punkt pracy tranzystora wybieramy wciskając odpowiednie klawisze na płycie czołowej
wkładki DA021A ( VC=UCE, IE=IC ). Do sterowania temperaturą układu scalonego UL1111 należy użyć
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
wkładki SA9011.Temperaturę, którą ma osiągnąć badany układ scalony nastawia się za pomocą przełącznika
klawiszowego umieszczonego na płycie czołowej wkładki. Wciśnięcie pojedynczego klawisza nastawia temperaturę zgodną z opisem klawisza. Wciśnięcie dwóch górnych klawiszy nastawia temperaturę 60 °C a wciśnięcie dwóch dolnych klawiszy 90 °C. Schemat połączenia układu pomiarowego przedstawiono na Rys..8:
układ sterowania
temperaturą
przełącznik czterokanałowy dc
SA9011
DA021A
SA4022
A
B
RI B
S
S
H
H
C
WY
D
V.C.
układ badany
Rys.8. Schemat połączeń układu do pomiarów parametrów tranzystora.
4.2. Pomiary stałości punktu pracy tranzystora w różnych układach polaryzacji.
Dokończyć obliczenia wartości rezystorów montowanych do układów polaryzacji badanego tranzystora,
wykorzystując znane obecnie wartości β0 i UBE (wziąć wartości dla 30 °C), przełączyć tranzystor T1 do drugiego bloku pomiarowego we wkładce DA021A (wciśnięty klawisz P ) a następnie należy :
a) przy wyłączonym zasilaniu kasety z wkładkami rozmontować poprzedni układ pomiarowy, chwytając za
aluminiowy uchwyt na płycie czołowej wysunąć wkładkę z kasety pomiarowej, przykręcić w odpowiednich miejscach (patrz Rys.6.) wyliczone rezystory dla układu z zasilaniem stałym prądem bazy, ustawić
przełączniki suwakowe 1, 2 (Rys.6) w odpowiedniej dla tego układu polaryzacji tranzystora pozycji, połączyć układ pomiarowy jak na Rys.9 i sprawdzić (oraz ewentualnie skorygować), w temperaturze 30°C
otrzymany punkt pracy tranzystora T1. Korekcji punktu pracy poprzez zmianę wielkości wyliczonych rezystorów dokonujemy wówczas, gdy zmierzone wartości UCE i IC różnią się znacznie od tych, które były
przyjęte do obliczeń i pomiarów w punkcie 4.1. Najlepiej jest w takiej sytuacji dobrać eksperymentalnie
tylko jeden z rezystorów (np.RB ) tak aby uzyskać możliwie najbardziej zbliżone do założonych wartości IC
i UCE Po tych czynnościach wstępnych zmierzyć i narysować zależności IC(T) oraz UCE(T).
b) powtórzyć wszystkie czynności wymienione w p 4.2.a) dla układu z rezystorem emiterowym i układu ze
źródłem prądowym. Zmierzyć i narysować zależności IC(T) oraz UCE(T) dla tych układów.
układ sterowania
temperaturą
DA021A
R
SA9011
SA4022
A
C
E
przełącznik czterokanałowy dc
B
S
S
H
H
C
WY
D
V.C.
układ
badany
Rys.9. Schemat połączeń układu pomiarowego do badania układów polaryzacji tranzystora
5.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1
2
Wykreślić (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki.
Dla układu z zasilaniem stałym prądem bazy - oszacować jaka część przyrostu prądu kolektora spowodowana jest zmianą napięcia UBE a jaka zmianą β0 (patrz punkt 4.2)
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/10/01
3
4
5
6
7
W jaki sposób sa uzyskiwane stałe wartości napięcia 2.5 V, 5 V, 7 V we wkładce DA021A
Dlaczego do pomiaru temperatury możliwe jest zastosowanie tranzystora (T4)
Wyjaśnić zasadę dzialania układu z Rys.3. w tym rolę wzmacniacza operacyjnego (US2)
Wyjaśnić zasadę działania źródła prądowego (Rys.4.-T7)
Wyjaśnić zasadę działania „ układu 3” na Rys.7
8
Wyznaczyć względną stabilność temperaturową punktu pracy
∆U CE (T )
∆I C (T )
i
dla dwóch wybra∆T
∆T
nych temperatur
9 Uzasadnić, która polaryzacja zapewnia najlepszą stabilizację punktu pracy