Instrukcja nr 1 - PB Wydział Elektryczny

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
ELEKTRONIKA 2
Kod: ES1C400 026
BADANIE WYBRANYCH DIOD I TRANZYSTORÓW
BIAŁYSTOK 2017
Program szczegółowy laboratorium
1.
Wprowadzenie – przepisy BHP, regulamin laboratorium, zapoznanie studentów ze
stanowiskami laboratoryjnymi i aparaturą pomiarową. (2 godz.)
2.
Badanie diod i tranzystorów. (2 godz.)
3.
Optoizolacja cyfrowa. (2 godz.)
4.
Układ różnicowy. (2 godz.)
5.
Tranzystory jako układy dwustanowe. (2 godz.)
6.
Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach liniowych. (2 godz.)
7.
Trójkońcówkowe stabilizatory napięcia. (2 godz.)
8.
Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych. (2 godz.)
9.
Stabilizator impulsowy. (2 godz.)
10.
Podstawowe bramki logiczne. (2 godz.)
11.
Układy formowania impulsów. (2 godz.)
12.
Przetworniki cyfrowo – analogowe i analogowo – cyfrowe. (2 godz.)
13.
Układy uzależnień czasowych. (2 godz.)
14.
Zastosowania wybranych układów scalonych. (2 godz. )
15.
Zaliczenie. Odrabianie zaległości. (2 godz.)
Literatura podstawowa
1. Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe. WNT, 2009.
2. Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki, cz. I i II. WKiŁ, 2006.
3. Stepowicz W., Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk1999.
4. Filipkowski A. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, 2007.
5. Nosal Z., Baranowski J. Układy elektroniczne cz.I - Układy analogowe liniowe. WNT,
2003.
6. Antoszkiewicz K., Z.Nosal Z., Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych.
WNT, 1998.
7. Górecki P., Wzmacniacze operacyjne. Wydaw. BTC, 2002.
8. Platt Ch., Elektronika. Od praktyki do teorii (ebook). 2012.
9. Barlik R., Nowak M., Energoelektronika. Elementy, podzespoły, układy. WPW,
Warszawa, 2014.
Literatura specjalistyczna oraz piśmiennictwo pomocnicze podane są w instrukcjach do
ćwiczeń laboratoryjnych.
Wydział Elektryczny
INSTRUKCJA STANOWISKOWA BHP
Katedra Automatyki i Elektroniki
dotyczy zasad użytkowania stanowiska do ćwiczeń laboratoryjnych
z zakresu elektroniki.
Dotyczy zasad użytkowania następujących urządzeń:
Lp.
1.
2.
3.
Nazwa urządzenia
Oscyloskop cyfrowy Tektronix
Generator funkcyjny
Zasilacz stabilizowany
Oznaczenie
Aby uniknąć obrażeń, porażenia prądem elektrycznym lub uszkodzenia użytkowanych
urządzeń, zaleca się uważne przeczytanie i przestrzeganie poniższych uwag eksploatacyjnych
z zakresu bezpieczeństwa pracy.
 Użytkowanie urządzenia lub stanowiska powinno być zgodne z jego instrukcją obsługi
oraz odrębnymi instrukcjami obsługi elementów składowych, jeżeli takie występują.
 Wszelkie czynności serwisowe (naprawy, regulacje, wymiany bezpieczników, itp.)
powinny być wykonywane jedynie przez odpowiednio wykwalifikowane osoby.
Przed przystąpieniem do pracy na stanowisku należy:
 Zapoznać się z instrukcją obsługi wykorzystywanych urządzeń.
 Zapewnić poprawne uziemienie przyrządu, poprzez połączenie przewodu ochronnego
kabla sieciowego do sprawnego gniazdka sieciowego z kołkiem uziemiającym.
 Używać właściwego kabla sieciowego zaprojektowanego dla danego urządzenia,
spełniającego odpowiednie normy krajowe.
 Przed wykonaniem jakichkolwiek połączeń wyjść i wejść urządzenia należy upewnić
się, czy urządzenie jest prawidłowo uziemione.
 Zapewnić wymagane chłodzenie przyrządu poprzez prawidłowy obieg powietrza
chłodzącego przyrząd.
 Aby uniknąć ryzyka pożaru lub porażenia prądem, należy zwracać uwagę na wszelkie
ostrzeżenia na obudowie przyrządu oraz nie przekraczać podanych w instrukcji i na
obudowie maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia i prądu w gniazdach
urządzenia.
Podczas pracy na stanowisku laboratoryjnym należy:
 Zachować ład i porządek. Przyrządy powinny być tak ustawione, aby nie mogły spaść.
 Wykonywać połączenia tak, aby nie zagrażały użytkownikom stanowiska.
 Połączenia wykonywać możliwie najkrótszymi przewodami, unikać połączeń
przewodami zwisającymi.
 Nie należy podłączać lub odłączać sond lub przewodów pomiarowych, gdy one lub
punkt podłączenia są pod napięciem.
 Nie pracować ze zdjętymi elementami obudowy lub zdemontowanymi panelami.
 Nie dotykać metalowych elementów obwodu (gniazd, styków, podzespołów,
nieizolowanych przewodów mogących znaleźć się pod napięciem, itp.), gdy włączone
jest zasilanie urządzenia.
 Jeżeli zachodzi podejrzenie uszkodzenia urządzenia lub jego nieprawidłowej pracy,
należy wyłączyć zasilanie i fakt ten zgłosić osobie prowadzącej zajęcia. Przed
przystąpieniem do dalszej pracy urządzenie takie powinno być sprawdzone przez
odpowiednio wykwalifikowaną osobę.
 Nie używać przyrządu w miejscach o dużej wilgotności, w atmosferze zawierającej
gazy wybuchowe i agresywne korozyjnie.
 Dbać, aby powierzchnia przyrządu była zawsze czysta i sucha.
Po skończeniu pracy na stanowisku należy:
 Wyłączyć urządzenia zasilane energią elektryczną.
 Uporządkować stanowisko.
Czynności zabronione:
 Używanie urządzeń niezgodnie z ich przeznaczeniem i instrukcją obsługi.
 Łączenie elektrycznych obwodów pomiarowych znajdujących się pod napięciem.
 Samowolne otwieranie obudów i naprawianie urządzeń zasilanych energią
elektryczną.
Pierwsza pomoc:
 W przypadku porażenia prądem elektrycznym należy uwolnić osobę porażoną spod
działania prądu elektrycznego przez natychmiastowe wyłączenie napięcia za pomocą
przycisku bezpieczeństwa na tablicy zasilającej.
 Udzielić pomocy przedlekarskiej osobom poszkodowanym.
 Przy nieszczęśliwych wypadkach należy bezzwłocznie wezwać Pogotowie Ratunkowe
(tel. 999, kom. 112).
W przypadku pożaru:
 Odłączyć zasilanie urządzeń, rozpocząć ewakuację ludzi z zagrożonego obszaru.
 Gasić urządzenia dostępnymi środkami ochrony p.poż., a w koniecznym przypadku
wezwać Straż Pożarną (tel. 998, kom. 112).
Instrukcja przygotowana na podstawie dokumentacji technicznych ww. urządzeń.
1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Celem
ćwiczenia
laboratoryjnego
jest
poznanie
podstawowych
parametrów
i charakterystyk prądowo-napięciowych diod i tranzystorów oraz nabycie umiejętności ich
poprawnego wyznaczania.
Zakres ćwiczenia obejmuje badanie:
-
diod półprzewodnikowych (prostownicze, stabilizacyjne, Schottky’ego, inne);
-
tranzystorów bipolarnych (npn, pnp, Darlingtona);
-
tranzystorów unipolarnych (JFET i MOSFET - z kanałem typu n lub p).
Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący.
2. SCHEMATY POMIAROWE
2.1 Badanie diod półprzewodnikowych.
2.1.1 Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod metodą "punkt po punkcie".
Najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk statycznych diod jest metoda “punkt po
punkcie". Metoda ta jest czasochłonna i nie pozwala na wyznaczanie charakterystyk
statycznych w dużym zakresie prądów i napięć, ponieważ dioda nagrzewa się i otrzymywane
charakterystyki są nie tylko funkcją jej właściwości elektrycznych, ale również temperatury.
Pomiar powinien być więc wykonany możliwie szybko i przy wartościach prądów i napięć
znacznie niższych od dopuszczalnych. Zaletą metody jest stosunkowo duża dokładność.
Podstawowe układy do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą “punkt
po punkcie" przedstawiono na rysunku 1.
Rys.1 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych złącza
p-n metodą „punkt po punkcie”: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym
Pierwszy z przedstawionych układów, jest układem do pomiaru małych rezystancji
(dokładny pomiar napięcia na diodzie) i może być wykorzystany do wyznaczania
charakterystyki złącza p-n w kierunku przewodzenia, natomiast drugi służy do pomiaru
dużych rezystancji (dokładny pomiar prądu) i wykorzystywany jest do zdejmowania
charakterystyki zaporowej.
Uwaga! Zastanowić się nad sposobem pomiaru charakterystyk diody stabilizacyjnej.
2.1.2. Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod metodą oscyloskopową.
Zalety metody oscyloskopowej:
 możliwość obserwacji małych nieregularności charakterystyki, które mogłyby być
pominięte (przeoczone) w metodzie "punkt po punkcie",
 przy małym współczynniku wypełnienia impulsów napięcia i prądu badany element
nagrzewa się nieznacznie, co pozwala na obserwacje w szerszym zakresie prądów,
Transformator
230V/24V
R1
do kanału X
oscyloskopu
ud
R  id
D
R
do kanału Y
oscyloskopu
Rys.2 Uproszczony schemat do wyznaczania charakterystyk prądowo-napięciowych diod
półprzewodnikowych metodą oscyloskopową.
Wyznaczając charakterystyki prądowo-napięciowe metodą oscyloskopową, diodę zasila
się ze źródła napięcia zmiennego niskiej częstotliwości. W najprostszym przypadku może to
być obniżone, za pomocą transformatora, napięcie sieci (rys. 2). Spadek napięcia na diodzie D
jest doprowadzony do wejścia X oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na rezystorze
pomiarowym R - proporcjonalny do prądu płynącego przez diodę - do wejścia Y. Ze względu
na umiejscowienie masy w układzie pomiarowym należy w oscyloskopie włączyć inwersję
kanału Y. Sumaryczną wartość rezystancji R i R1 dobieramy w taki sposób, aby prąd płynący
w obwodzie był mniejszy od dopuszczalnego prądu badanej diody, zaś wartość rezystora R
powinna zapewnić łatwe przeliczanie czułości kanału Y z napięciowej (V/div) na prądową
(I/div).
Przykładowa charakterystyka prądowo
- napięciowa diody Zenera (C3V6) pokazana
została na rys. 3 (R1 = 680Ω, R = 51Ω).
W przypadku, gdy chcemy obserwować
charakterystykę
jedynie
w
kierunku
przewodzenia, należy szeregowo z rezystorem
R1 włączyć pomocniczą diodę prostowniczą,
zapewniającą przepływ prądu przez badaną
Rys.3 Charakterystyka prądowo – napięciowa diody
Zenera (C3V6) zdjęta metodą oscyloskopową
diodę D tylko w jednym kierunku.
2.2 Badanie tranzystorów.
2.2.1 Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów metodą "punkt po punkcie".
Jeżeli tranzystor bipolarny potraktujemy jako czwórnik (rys.4), to możemy zdefiniować
I1
I2
U1
U2
Rys.4 Tranzystor jako czwórnik - prądy i napięcia wejściowe i wyjściowe.
cztery rodzaje charakterystyk statycznych:




wejściowe:
wyjściowe:
przejściowe:
zwrotne:
I1 = f(U1)
I2 = f(U2)
I2 = f(I1)
U1 = f(U2)
U2 – parametr
I1 – parametr
U2 – parametr
I1 – parametr
W zależności od sposobu włączenia tranzystora (wspólny emiter, wspólna baza, wspólny
kolektor) otrzymamy różne rodziny charakterystyk statycznych. Przykładowo, dla tranzystora
bipolarnego w układzie wspólnego emitera, przytoczone wyżej zależności przyjmują postać:




wejściowe:
wyjściowe:
przejściowe:
zwrotne:
IB = f(UBE)
IC = f(UCE)
IC = f(IB)
UBE = f(UCE)
UCE - parametr
IB - parametr
UCE - parametr
IB - parametr
W przypadku tranzystorów unipolarnych zdejmuje się dwa rodzaje charakterystyk:
 wyjściowe:
 przejściowe:
I2 = f(U2)
I2 = f(U1)
U1 – parametr
U2 – parametr
Na rysunkach 5 i 6 przedstawione są przykładowe schematy układów pomiarowych do
zdejmowania charakterystyk statycznych metodą „punkt po punkcie” dla tranzystora
bipolarnego npn (wspólny emiter) i unipolarnego złączowego z kanałem typu n (wspólne
źródło). Schematy pomiarowe dla innych rodzajów tranzystorów (pnp, kanał typu p) i innych
sposobów włączenia tranzystora należy przygotować samodzielnie.
mA
+
Zasilacz
RC
mA
RB
V
+
Zasilacz
V
_
_
Rys.5 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych
tranzystorów bipolarnych metodą "punkt po punkcie" (w układzie wspólnego emitera)
mA
_
Zasilacz
+
RD
RG
V
V
+
Zasilacz
_
Rys.6 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk przejściowych i
wyjściowych tranzystora JFET z kanałem typu n
2.2.2. Wyznaczanie charakterystyk statycznych tranzystorów metodą oscyloskopową.
Transformator
230V/24V
do kanału X
oscyloskopu
R1
zasilacz
regulowany
lub
generator
funkcyjny
D
UCE
+
RB
_
R  IE
R
do kanału Y
oscyloskopu
Rys.7 Uproszczony schemat układu do wyznaczania charakterystyk wyjściowych
tranzystora bipolarnego npn metodą oscyloskopową
Uproszczony schemat układu do wyznaczanie statycznych charakterystyk wyjściowych
tranzystora bipolarnego npn metodą oscyloskopową przedstawiony jest na rysunku 7.
Napięcie UCE doprowadzane jest do wejścia X oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na
rezystorze pomiarowym R - proporcjonalny do prądu kolektora - do wejścia Y (przyjmujemy,
że prąd emitera jest praktycznie równy prądowi kolektora). Ze względu na umiejscowienie
masy w układzie pomiarowym należy w oscyloskopie włączyć inwersję kanału Y.
Sumaryczną wartość rezystancji R i R1 dobieramy w taki sposób, aby prąd płynący w
obwodzie był mniejszy od dopuszczalnego prądu kolektora, zaś wartość rezystora R powinna
zapewnić łatwe przeliczanie czułości kanału Y z napięciowej (V/div) na prądową (I/div).
Pomocnicza dioda prostownicza D zapewnia odpowiednią polaryzację napięcia kolektor –
emiter.
Płynna regulacja prądu bazy tranzystora (za pomocą zmiany napięcia zasilającego obwód
bazy) pozwala obserwować zmianę położenia i kształtu charakterystyki wyjściowej.
Do jednoczesnej obserwacji dwóch różnych charakterystyk wyjściowych tranzystora,
odpowiadających różnym prądom bazy, można wykorzystać generator funkcyjny. W
generatorze ustawiamy przebieg prostokątny o częstotliwości rzędu 300 – 500 Hz. Amplitudę
oraz składową stałą przebiegu wybieramy w taki sposób, aby poziomy napięć (niski i wysoki)
zapewniały dwie różne, wybrane wartości prądu bazy. Przykładowe charakterystyki
wyjściowe, otrzymane tą metodą przedstawione są na rysunku 8.
Rys.8 Przykładowe charakterystyki wyjściowe tranzystora bipolarnego npn otrzymane
metodą oscyloskopową
3. WYPOSAŻENIE STANOWISKA POMIAROWEGO

makiety uniwersalne, przedstawione na rys.9;

uniwersalna płyta łączeniowa GL-12F z przewodami łączeniowymi;

regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0–32 V/0–2 A + 1x 0–5,5 V/0–5 A);

oscyloskop cyfrowy;

generator funkcyjny;

częstościomierz;

multimetry uniwersalne.
Pozostałe przyrządy pomiarowe będą dostępne w zależności od potrzeb, wynikających
ze specyfiki badanego układu.
a)
b)
Rys. 9 Dwa rodzaje makiet uniwersalnych do badania diod i tranzystorów – skala 1:1
(Oznaczenia: szare kółka – gniazda bananowe 2mm, czarne prostokąty – miniaturowe listwy
łączeniowe do mocowania elementów z dwoma lub trzema zaciskami)
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Uwaga! Szczegółowy zakres ćwiczenia (t.j. konkretne typy badanych elementów
półprzewodnikowych oraz rodzaje charakterystyk i sposoby ich wyznaczania) podaje
prowadzący na początku ćwiczenia.
a) zapoznać się z kartami katalogowymi badanych przyrządów półprzewodnikowych
(dostępne w laboratorium lub na stronach internetowych);
b) zanotować najważniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych
elementów;
c) zmontować odpowiednie układy pomiarowe;
d) wyznaczyć metodą „punkt po punkcie” charakterystyki statyczne wybranych diod w
kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym;
e) wyznaczyć charakterystyki statyczne wybranych diod metodą oscyloskopową (w kierunku
przewodzenia, w kierunku zaporowym lub w obu kierunkach jednocześnie);
f) wyznaczyć metodą „punkt po punkcie” wybrane rodziny charakterystyk statycznych
wybranych tranzystorów;
g) wyznaczyć charakterystyki statyczne tranzystorów metodą oscyloskopową;
h) wyznaczyć parametry hybrydowe tranzystora bipolarnego przy pomocy miernika
parametrów h; określić wpływ punktu pracy tranzystora na wyniki pomiarów;
i) wyznaczyć współczynnik wzmocnienia tranzystora bipolarnego za pomocą multimetru.
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
Sprawozdanie powinno zawierać schematy układów pomiarowych i wyniki pomiarów.
Wyniki pomiarów należy przedstawić w postaci tablic i wykresów.
W zależności od zakresu wykonanych badań należy:
 oszacować rezystancje statyczne i dynamiczne diody w kilku wybranych punktach
charakterystyki (kierunek przewodzenia i zaporowy); sformułować wnioski;
 określić napięcia progowe lub napięcia Zenera badanych diod;
 wykreślić charakterystykę statyczną diody dla kierunku przewodzenia w skali
półlogarytmicznej (napięcie – liniowo, prąd – logarytmicznie); skomentować otrzymaną
zależność;
 na podstawie otrzymanych charakterystyk statycznych wyznaczyć współczynniki
wzmocnienia prądowego (statyczny i dynamiczny) tranzystora bipolarnego w kilku
wybranych punktach pracy;
 wyznaczyć moc wydzielaną w tranzystorze w zależności od punktu pracy (np. w funkcji
prądu bazy);
 wyznaczyć napięcie odcięcia kanału lub napięcie progowe oraz prąd nasycenia drenu
tranzystora unipolarnego;
 określić transkonduktancję tranzystora unipolarnego w kilku wybranych punktach pracy;
 na podstawie charakterystyk wyjściowych (ID = f(UDS)) wyznaczyć statyczną rezystancję
włączenia RDSon i statyczną rezystancję wyłączenia RDSoff tranzystora polowego.
LITERATURA
[1] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E. Pomiary przyrządów półprzewodnikowych,
WKiŁ, Warszawa, 1990.
[2] Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1984
[3] Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WNT, 1997.
[4] Januszewski S., Świątek H. Miernictwo półprzewodnikowych przyrządów mocy, WKŁ,
1996.