Systemy i architektura komputerów

Bogdan Olech
Mirosław Łazoryszczak
Dorota Majorkowska-Mech
Systemy i architektura
komputerów
Laboratorium nr 4
Temat:
Badanie tranzystorów
Spis treści
Cel ćwiczenia ........................................................................................................................................... 3
Wymagania .............................................................................................................................................. 3
Przebieg ćwiczenia .................................................................................................................................. 3
Podsumowanie ........................................................................................................................................ 7
Literatura .................................................................................................................................................. 7
Elektronika – Laboratorium nr 4
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest:
1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej i wzmocnienia prądowego tranzystora
bipolarnego,
2. Poznanie pracy tranzystora jako wzmacniacza sygnałów.
WYMAGANIA
Do wykonania niniejszego ćwiczenia niezbędne jest zapoznanie się z następującymi
zagadnieniami:
Tranzystor bipolarny typu npn i pnp: budowa, zasada działania, charakterystyki prądowonapięciowe, parametry, zastosowanie,
Punkt pracy tranzystora bipolarnego,
Sposoby polaryzacji tranzystora bipolarnego npn i pnp w różnych układach pracy,
Charakterystyka wzmacniaczy tranzystorowych w różnych układach pracy.
PRZEBIEG ĆWICZENIA
Na rysunku 1 przedstawiono symbole tranzystorów bipolarnych npn oraz pnp i ich schematy
diodowe.
Na rysunku 2 przedstawiono rozkład wyprowadzeń tranzystorów bipolarnych.
Tranzystory mogą pracować w różnych układach pracy. Na rysunku 3 przedstawiono możliwe
układy pracy tranzystorów: ze wspólnym emiterem WE (OE), ze wspólną bazą WB (OB) oraz ze
wspólnym kolektorem WC (OC).
C
C
B
B
E
E
b) pnp
a) npn
Rys. 1.
Symbole i schematy diodowe tranzystorów bipolarnych: a) typu npn, b) typu pnp
Rys. 2.
Rozkład wyprowadzeń tranzystorów bipolarnych (widok od strony wyprowadzeń)
Strona 3 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 4
C
E
B
B
C
E
a) WE
Rys. 3.
b) WB
c) WC
Układy pracy tranzystorów bipolarnych: a) wspólny emiter, b) wspólna baza, c) wspólny kolektor
Ćwiczenie nr 1
Charakterystyka przejściowa oraz wzmocnienie prądowe tranzystora w układzie WE
1. Korzystając z Internetu sprawdź czy tranzystor bipolarnego 2N2222A jest typu npn czy
pnp.
2. Korzystając z uniwersalnego miernika cyfrowego zmierz i zanotuj wzmocnienie prądowe
hFE = h21E = β tranzystora bipolarnego 2N2222A, za pomocą testera wbudowanego do
tego miernika.
3. Zmierz woltomierzem wartość napięcia zasilania źródła napięcia stałego (+15 V) na płycie
prototypowej NI ELVIS II.
4. Sprawdź układ wyprowadzeń tranzystora 2N2222A (rys. 2) i zbuduj układ jak na rys. 4.
IC
A
R2 = 820
PS (+15 V)
IB
R1 = 47 k
UCE
UBE
VPS (0 ­ 12 V)
V
Rys. 4.
Schemat układu do wyznaczania charakterystyki przejściowej oraz wzmocnienia prądowego
tranzystora w układzie WE
2. W obwodzie bazy umieść, jak na rys. 4, regulowany zasilacz prądu stałego (Variable
Power Supply, VPS) oraz zewnętrzny miernik cyfrowy ustawiony w tryb pracy
woltomierza napięcia stałego.
3. W obwodzie kolektora umieść stałe źródło napięcia o wartości +15 V (Power Supply) oraz
amperomierz z zestawu NI ELVIS II.
4. Na pulpicie sterowania VPS wybierz opcję Manual ze zwrotnym pomiarem napięcia
zasilania (UzB).
5. Poprzez regulację VPS ustaw minimalne napięcie zasilania w obwodzie bazy. Czy płynie
wtedy prąd w obwodzie bazy? (Prąd w obwodzie bazy można wyznaczyć znając napięcie
zasilania i napięcie na złączu baza­emiter z zależności IB =UR1/R1=(UzB - UBE)/R1. Czy płynie
Strona 4 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 4
wtedy prąd w obwodzie kolektora? Jeżeli przez tranzystor nie płynie prąd to mówimy, że
jest on zatkany lub odcięty.
6. Wymuszając zmiany napięcia zasilania UzB w obwodzie bazy poprzez regulację VPS
obserwuj i notuj w tabeli 1 napięcie zasilania oraz wskazania woltomierza w obwodzie
bazy i amperomierza w obwodzie kolektora.
Tab. 1. Wyniki pomiarów do charakterystyki przejściowej tranzystora 2N2222A w układzie WE
L.p. UzB [V]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
UBE [V]
IC [mA]
IB = (UzB - UBE)/R1 [µA]
β = h21E = I C /I B
UCE = UzC –ICR2 [V]
7. Obserwując wskazania amperomierza z pewnością zaobserwujesz, że przy pewnej
wartości prądu kolektora IC (jakiej?), dalszy wzrost napięcia zasilania w obwodzie bazy
(i co jest z tym związane prądu bazy) nie powoduje już wzrostu prądu kolektora.
Mówimy, że tranzystor jest wtedy w stanie nasycenia. Z czego wynika wartość prądu
kolektora w stanie nasycenia?
8. Dla każdego pomiaru oblicz prąd płynący w obwodzie bazy IB z zależności (korzystamy
z prawa Ohma dla rezystora R1 i II prawa Kirchhoffa dla obwodu bazy)
IB = UR1/R1 = (UzB - UBE)/R1.
9. Dla każdego pomiaru wyznacz wzmocnienie prądowe tranzystora β. Czy wartość tego
wzmocnienia jest stała?
10. Dla każdego pomiaru oblicz napięcie pomiędzy kolektorem i emiterem UCE z zależności
(korzystamy z II prawa Kirchhoffa dla obwodu kolektora i prawa Ohma dla rezystora R2)
UCE = UzC - UR2 = UzC - ICR2.
UzC oznacza napięcie zasilania w obwodzie kolektora (zmierzone w punkcie 3).
11. Sporządź wykres charakterystyki przejściowej tranzystora IC = f(UBE).
12. Sporządź wykres zależności prądu kolektora od prądu bazy IC = f(IB).
13. Sporządź wykres zależności UCE = f(UBE) napięcia kolektor-emiter (na wyjściu) od napięcia
baza-emiter (na wejściu).
14. Na wykresie UCE = f(UBE) wskaż obszar zatkania tranzystora (nie płynie prąd kolektora,
napięcie zasilania w układzie kolektora jest równe napięciu kolektor-emiter), obszar
nasycenia (zwiększanie napięcia baza-emiter UBE i co za tym idzie prądu bazy nie
powoduje zmiany napięcia kolektor-emiter UCE, prąd kolektora jest maksymalny) oraz
obszar liniowy pracy tranzystora (zmiana napięcia na wejściu powoduje proporcjonalną
do niej zmianę napięcia na wyjściu).
15. Jaką rolę pełni tranzystor w układzie, jeśli jest tylko przełączany ze stanu zatkania do
stanu nasycenia i odwrotnie?
16. Czy w obszarze liniowym pracy tranzystora zwiększenie napięcia UBE powoduje
zwiększenie czy zmniejszenie napięcia UCE?
17. W liniowym obszarze pracy tranzystora wyznacz z wykresu UCE = f(UBE) współczynnik
wzmocnienia napięciowego ∆UCE/∆UBE.
18. Co oznacza termin punkt pracy tranzystora?
19. Patrząc na wykres UCE = f(UBE) zastanów się dlaczego przy pracy tranzystora jako
wzmacniacza napięć zmiennych, należy wejściowy przebieg zmienny nałożyć na stałe
napięcie polaryzacji?
Strona 5 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 4
Ćwiczenie nr 2
Tranzystor w układzie WE jako wzmacniacz sygnałów zmiennych
1. Zbuduj układ jak na rys. 5.
2. Na jeden kanał oscyloskopu podłącz, wykorzystując wejście analogowe AI0, napięcie
pomiędzy bazą a masą (bazę połącz z AI0+ zaś masę z AI0-). Na drugi kanał oscyloskopu
podłącz, wykorzystując wejście analogowe AI1, napięcie pomiędzy kolektorem o masą
(kolektor połącz z AI1+ zaś masę z AI1-).
3. Na pulpicie sterowania generatora sygnałów wybierz sygnał sinusoidalny o częstotliwości
100 Hz i napięciu międzyszczytowym 0,2 V.
4. Zapewnij punkt pracy tranzystora umożliwiający obserwację wzmocnienia sygnału
zmiennego (VPS ustaw na około 5 V). Naszkicuj (wykonaj zdjęcie) oscylogramy przebiegów
na wejściu i wyjściu.
5. Zmieniaj wartość amplitudy zmiennego źródła napięcia z FGEN, aby uzyskać widoczne
zniekształcenia sygnału na wyjściu. Naszkicuj (wykonaj zdjęcie) oscylogramy przebiegów ze
zniekształceniami. Na czym te zniekształcenia polegają? Z czego one wynikają?
6. Zmieniaj wartość napięcia VPS i obserwuj wpływ punktu pracy tranzystora na pojawienie
się zniekształceń. Wyjaśnij wyniki swoich obserwacji.
R2 = 820
PS (+15 V)
R1 = 47 k
VPS (0 - 12 V)
C = 220 nF
R3 = 120
FGEN
Rys. 5.
Schemat układu, w którym tranzystor w układzie WE pełni rolę wzmacniacza
Ćwiczenie nr 3
Charakterystyka wyjściowa tranzystora w układzie WE
1.
2.
3.
4.
5.
Zmierz i zanotuj wartość napięcia źródła napięcia stałego (+5V) na płycie NI ELVIS II.
Zbuduj układ jak na rysunku 6.
Zmierz i zanotuj wartość napięcia na złączu baza- emiter UBE.
Oblicz prąd bazy IB = UR1/R1 = (UzB - UBE)/R1.
Zmieniaj wartość napięcia zasilania w obwodzie kolektora mierząc jednocześnie wartość
tego napięcia zasilania (równą napięciu na złączu kolektor – emiter UCB) oraz prąd kolektora
IC. Wyniki wpisz do tabeli 2. Zaobserwuj, czy napięcie UBE (prąd bazy) ulega zmianie?
6. Sporządź wykres zależności prądu kolektora, jako funkcji napięcia na złączu kolektor-emiter
IC = f(UCE) przy stałym prądzie bazy IB = const. Jest to charakterystyka wyjściowa tranzystora
w układzie WE.
7. Podsumuj wyniki swoich obserwacji i pomiarów.
Strona 6 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 4
Rys. 6.
Schemat układu do pomiaru charakterystyki wyjściowej tranzystora w układzie WE
Tab. 2. Wyniki pomiarów do charakterystyki wyjściowej tranzystora 2N2222A w układzie WE
L.p. UCE [V]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
IC [mA]
PODSUMOWANIE
W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia, a także ćwiczeń poprzednich student powinien nabyć
bądź utrwalić następujące umiejętności:
rozumienie zasady działania tranzystora bipolarnego,
poznanie sposobów polaryzacji i układów pracy tranzystorów bipolarnych,
poznanie pracy tranzystora jako wzmacniacza w układzie WE.
LITERATURA
[1] Górecki P.: Elektronika dla wszystkich, Tranzystory dla początkujących – cykl artykułów.
http://pjwstk.mykhi.org/3sem/ELK/rozne/EDW%20%28elektronika%20dla%20wszystkich%29/tr
anzystory%20dla%20poczatkujacych/ (dostęp grudzień 2012).
[2] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKŁ, Warszawa 2009.
Strona 7 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 4
[3] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI – Experiments.
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Exper/index.html (dostęp październik 2010).
[4] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume I – DC,
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/DC/index.html (dostęp październik 2010).
[5] Kybett H., Boysen E.: Elektronika dla każdego. Przewodnik, Helion, Gliwice, 2012.
[6] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT,
Warszawa, 2006.
Strona 8 z 8