Budowa i działanie wybranych układów tranzystorowych. Wtórnik emiterowy, stabilizator napięcia, wzmacniacz oporowy w układzie WE, układ Darlingtona¶

Cel ćwiczenia¶

Wykonanie połączeń i pomiar charakterystyk przejściowych następujących układów: wtórnik emiterowy, stabilizator napięcia, wzmacniacz w kładzie WE, tranzystor w układzie Darlingtona jako łącznik prądu.

Wymagane wiadomości¶

Podstawy programowania w środowisku LabVIEW. Znajomość budowy tranzystorów bipolarnych, zasady działania wzmacniaczy rezystorowych w układzie WE, WK, WB, znajomość charakterystyk i równań opisujących działanie wzmacniaczy.

Wprowadzenie¶

Tranzystor bipolarny to aktywny element półprzewodnikowy wykorzystujący zjawiska transportowe na granicy złącz o różnym charakterze przewodnictwa. Wyróżniamy tranzystory typu NPN i PNP, gdzie kolejne litery oznaczają odpowiednio typ półprzewodnika kolektora, bazy i emitera.

Rys 1. Symbol tranzystora bipolarnego NPN

W tzw. modelu wielkosygnałowym tranzystor bipolarny można przedstawić jako połączenie dwóch diod półprzewodnikowych (rys. 2).

Rys. 2. Wielkosygnałowy model tranzystora bipolarnego (B - baza, C - kolektor, E - emiter).

W przypadku tzw. analizy małosygnałowej, tranzystor można traktować jak źródło prądowe sterowane przez napięcie baza-emiter.

Rys. 3. Małosygnałowy model tranzystora bipolarnego.

Tranzystor może znajdować się następujących stanach pracy:

• stan odcięcia – prąd kolektora nie płynie,
• stan nasycenia – prąd kolektora ma wartość stałą niezależną od prądu bazy
• stan aktywny – prąd kolektora zależy od prądu bazy.

W obszarze pracy aktywnej można przyjąć następujące zależności:

\[\begin{split}I_E=I_B+I_C\\ I_C=\beta I_B\\ I_E\approx I_C\end{split}\]

gdzie \(\beta\) jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego tranzystora.

Rys. 4. Charakterystyki tranzystora bipolarnego.

Na rys. 4. przedstawiono typowe charakterystyki tranzystora bipolarnego. Tranzystory mogą pracować w dowolnej z trzech konfiguracji tworząc jednostopniowy wzmacniacz rezystorowy lub być połączone w układ kilku tranzystorów tworząc wzmacniacze wielostopniowe. Układ Darlingtona jest połączeniem dwóch tranzystorów. Prąd emitera jednego tranzystora jest prądem bazy drugiego tranzystora. Powoduje to wzrost wzmocnienia prądowego:\(\beta= \beta_1*\beta_2\)

Rys. 5. Układ Darlingtona

Przebieg ćwiczenia¶

1. Wyznaczanie charakterystyki wyjściowej tranzystora bipolarnego.

   Połączyć układ według schematu. Połączyć wejścia i wyście analogowe NI my DAQ tak by było możliwe zadawanie napięcia wejściowego, napięcia zasilającego \(V_C\), pomiar napięcia kolektor- emiter (\(U_{WY}\)) oraz pomiar prądu kolektora. Zmodyfikować program LabVIEW z ćwiczenia nr 2 tak aby wykreślał zależność prądu kolektora (oś \(Y\)) od napięcia kolektor-emiter (oś \(X\)). Zmierzyć zależność prądu kolektora \(I_C\) od napięcia kolektor-emiter \(U_{CE} przy stałej wartości napięcia :math:`U_{WE} (dla :math:`U_{we}: 0, 2, 4, 8 V\)). Napięcie na kolektorze \(V_C\) powinno zmieniać się w zakresie od \(0\) do \(10 V\). Zapisać dane (zrzut ekranu lub zapis wartości do pliku).

   \(U_{WY}=V_C-\beta\frac{R_C}{R_B}U_{WE}\)

   Rys. 6. Schemat układu do zadania 1. Parametry układu: :math:`R_B = 500 K\Omega, RC = 1 k\Omega`.

2. Wtórnik emiterowy

   Połączyć układ według schematu (rys. 7). Połączyć wejścia i wyście analogowe NI my DAQ tak by było możliwe zadawanie napięcia wejściowego oraz pomiar napięcia wyjściowego (\(U_{WY}\)). Zmodyfikować program LabVIEW by wykreślać zależność napięcia wyjściowego (oś \(Y\)) od napięcia wejściowego (oś \(X\)). Zmierzyć charakterystykę przejściową przy zmiennej wartości napięcia \(U_{WE}\; (0 – 10 V)\). Zapisać dane podobnie jak w puncie 1

   

   Rys. 7. Schemat układu do zadania 2. Parametry układu: \(R_E = 10 k\Omega, V_C = 15 V\).

3. Tranzystorowy stabilizator napięcia.

   

   Rys. 8. Schemat stabilizatora napięcia

   Wyliczyć wartość rezystora \(R\) przy założeniu, że Pd wynosi \(0.1W\). Połączyć układ według schematu (rys. 8). Połączyć wejścia i wyście analogowe NI my DAQ tak by było możliwe zadawanie napięcia wejściowego (\(+V\)) oraz pomiar napięcia wyjściowego (\(V_{stab}\)). Zmodyfikować program LabView by wykreślać zależność napięcia wyjściowego (oś \(Y\)) od napięcia wejściowego (oś \(X\)). Zmierzyć charakterystykę przejściową przy zmiennej wartości napięcia \(U_{WE} (0 – 10 V)\) dla kolejno różnych diod Zenera (\(2.7 V, 3.3 V, 4,7 V\)) oraz przy różnym obciążeniu układu (bez obciążenia, \(470 \Omega , 1 k\Omega\)). Zapisać dane podobnie jak w poprzednich punktach.

4. Wzmacniacz oporowy WE.

   

   Rys. 10. Schemat wzmacniacza oporowego w układzie \(WE\) (\(R1=82k, R2=22k, Rc=1k, Re=0.33k, C=1\mu F, Ce=100\mu F\)).

   1. Charakterystyka amplitudowa i fazowa ( \(U_{WY} = f(f), \phi=f(f)\)) Połączyć układ według schematu (rys. 10). Przedstawić połączony układ do sprawdzenia prowadzącemu ćwiczenia. Uruchomić program z ćwiczenia nr 3. Lub aplikację Bode Analyzer – NI ElVISmx. Na wejście wzmacniacza podawać sygnał sinusoidalny o nieprzekraczalnym napięciu \(U_{WE}= 100mV\). Przestrajając częstotliwość w zakresie od \(10Hz\) do \(10kHz\) (w skali logarytmicznej) mierzyć napięcie wyjściowe. Pomiary przeprowadzić dla różnych pojemności \(C_E (0 i 100\mu F\)). Zapisać dane.

   2. Charakterystyka dynamiczna (\(U_{wy}=f(U_{we}\)) Przygotować program zawierający w swojej strukturze generator napięcia sinusoidalnego oraz oscyloskop.

      

      Rys. 11. Przykładowy kod programu do zdejmowania charakterystyki przejściowej wzmacniacza.

      

      Rys. 12. Przykładowa charakterystyka przejściowa wzmacniacza oporowego.

      Do wyjścia wzmacniacza podłączyć oscyloskop. Na wejście wzmacniacza rezystorowego podawać sygnał z generatora sinusoidalnego o częstotliwości \(f=1kHz\). Zmieniając napięcie sygnału od \(0V\) (np. co \(5 mV\)) mierzyć napięcie wyjściowe obserwując je na oscyloskopie. Pomiar wykonać dla pojemności \(C_E=0\) oraz \(100\mu F\). Cykl pomiarowy zakończyć w momencie zauważenia zniekształceń napięcia wyjściowego. Zapisać otrzymany wynik podobnie jak w poprzednich punktach.

5. Opracowanie wyników

   W sprawozdaniu należy:

   Ad 1. Przedstawić otrzymane charakterystyki (zrzut ekranu lub wykres \(I_C=f(U_{CE})\)). Przedyskutować otrzymane przebiegi w kontekście tzw. punktu pracy tranzystora.

   Ad 2. Przedstawić otrzymaną charakterystykę. Przedyskutować otrzymany przebieg w kontekście wstępnego założenia że \(U_{WY}=:math:`U_{WE}\).

   Ad 3. Przedstawić otrzymane charakterystyki. Przedyskutować otrzymane przebiegi w kontekście wykorzystania układu do stabilizacji napięć.

   Ad 4.1. Przedstawić otrzymane charakterystyki. Na ich podstawie określić wzmocnienie oraz pasmo przenoszenia wzmacniacza. Wartość otrzymanego wzmocnienia porównać z wartością wzmocnienia teoretycznego. Przedyskutować otrzymane wartości w kontekście pojemności \(C_E\).

   Ad 4.2. . Przedstawić otrzymaną charakterystykę. Na jej podstawie określić użyteczny zakres napięcia wejściowego. Przedyskutować otrzymany wynik w kontekście pojemności \(C_E\).

Literatura¶

Testu do rozdziału¶

Pytania kontrolne¶

1. Podaj definicję współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora.
2. W jakich konfiguracja może pracować tranzystor bipolarny?
3. Wymień charakterystyki tranzystora.
4. Ile wynosi wzmocnieni napięciowe wzmacniacza oporowego w układzie WK?
5. Jak należy spolaryzować diodę aby pracowała jako stabilizator napięcia?
6. W jakiej konfiguracji pracuje tranzystor w stabilizatorze napięcia?
7. Jak określamy pasmo przenoszenia wzmacniacza?
8. Co należy rozumieć pod pojęciem użyteczny zakres napięcia wejściowego?
9. Jaką rolę we wzmacniaczu oporowym w układzie WE spełnia opornik w obwodzie emitera?
10. Jaką rolę we wzmacniaczu oporowym w układzie WE spełnia kondensator w obwodzie emitera?