Kurs: FY-IN204 Elektronikk med prosjektoppgaver - 4 vekttall Gruppe: Gruppe-dag: Oppgave: LABORATORIEØVELSE NR 2 Omhandler: TRANSISTORER Revidert utgave 23.02.2001, 20.02.2003 av HBalk Utført dato: Utført av: Navn: email: Navn: email: Godkjent:dato: Godkjent av: Kommentar fra veileder: 1
Litteratur: Millman, Kap. 3 og Kap. 10 Mål: A. Transistorkarakteristikker: Måle kollektorstrøm som funksjon av spenningen kollektor emitter med voltmeter. Gjenta målingene med kurvetegner. B. Forsterkerkobling: Tegne og simulere en transistorforsterker med felles emitter. Bestemme transistorens arbeidspunkt. Måle forsterkerens strøm-, spenning- og effektforsterkning A. Transistorkarakteristikker Transistorene som skal brukes i oppgavene er n-p-n silisium transistorer. Tilkoplingene til base, emitter og kollektor er vist i fig. 1. Transistoren er, etter vanlig praksis, tegnet sett fra undersiden, den siden der tilkoblingspinnene er. Emitter Base Figur 1: n-p-n transistor Kollektor R 250 Ω 3W + 12 V A V Figur 2: Prinsipp for måling av transistorens karakteristikk. Noen viktige data for denne typen transistor er: Maksimal spenning kollektor emitter 40 V Maksimal spenning kollektor - base 40 V Maksimal spenning emitter - base 5 V Maksimal kollektorstrøm 100 ma Maksimal effekt (V CE I C ) 300 mw Transistorene er lette å ødelegge, og det innskjerpes at en alltid må være omhyggelig med å kontrollere koblingen før spenningene settes på. Når det foretas forandringer i koblingen, skal strømforsyningen (+12V) kobles fra. Karakteristikker for transistorer finner man i fabrikantens datablad. Man kan selv ta opp karakteristikker med enkle koblinger, som f.eks. den i fig. 2. 2
A1. Måling av transistor karakteristikk med voltmeter Prinsippskissen i fig. 2 kan realiseres som vist i fig.3b. Transistoren (BC547) med motstander og tilførselsledningen kobles opp på veroboardet. Ledninger for måling av Vce = X og Ic=Y og spenningsforsyningen tas via bøssing Mål kollektorstrømmen (I C ) som funksjon av spenningen kollektor-emitter (V CE ) for tre forskjellige verdier av basestrømmen I B. De tre karakteristikkene tegnes på ett ark med passende valg av skala. Velg verdiene 1 MW, 0,5 MW og 330 kw for R, og beregn I B (spenningen baseemitter er ca. 0,6 volt). I B -verdiene påføres kurvene. Hint: For R kan brukes henholdsvis en, to eller tre motstander hver på 1 MW i parallell. Finn først ut ved hvilken spenning karakteristikken knekker. Mål 3 til rundt knekkpunktet. Mål ellers bare noen 1 til 2 punkter langs de lineære delene av kurven. Y=Ice Knekkunkt X=Vc e Figur 3a: Knekkpunkt på transistorens Ic/Vce karakteristikk + 12 V R 250 Ω 3W 100 Ω BC547 Y X Figur 4b: Kobling for måling av transistor karakteristikk A2. Transistorkarakteristikk med kurvetegner. Vi bruker et oscilloskop i X-Y mode og den samme tilleggskretsen som i oppgave 1. En prinsippskisse av kretsen er vist i fig. 4 (den skal ikke bygges). 3
Figur 5: Kobling for måling med kurvetegner (curve tracer) I kurvetegneren mates kollektoren med en toveis-likerettet spenning gjennom en stor motstand R 1, som sørger for å begrense strømmen. Spenningen mellom kollektor og emitter brukes til horisontalavbøyning på oscilloskopskjermen. For hver halvperiode endrer man basestrømmen i passende trinn ved hjelp av en elektronisk trappetrinnsgenerator (step generator) i serie med en stor motstand R 2. Kollektorstrømmen går fra transistoren gjennom en liten motstand R 3, og spenningen over denne (som er proporsjonal med kollektorstrømmen) brukes til vertikalavbøyning på oscilloskopskjermen. For hver ny verdi av basestrømmen tegner strålen på skjermen strømmens variasjon med kollektorspenningen, mens denne øker fra null til maksimum og synker til null igjen. Ta opp karakteristikken for samme transistor som ovenfor med kurvetegner (bruk en fersk transistor som har ikke gammel loddetinn på pinnene). Fremstill karakteristikken grafisk (se veiledningen for instrumentet for kalibrering av instrumentet). I B -verdiene påføres kurvene. Er resultatene her i overensstemmelse med de fra oppgave A.1? B. Transistorforsterker Denne delen er en simulerings oppgave. I motsetning til foregående oppgave skal man her også tegne skjemaet selv. Studentversjonen av PSpice har ikke en modell for BC547 så vi velger her Husk at PSpice benytter M for milli, MEG for mega og at desimal tegnet er punktum og ikke komma. 4
B1. Tegne og simulere en transistorforsterker med felles emitter slik som vist i skjemaet i figur 5. Figur 6: Transistorforsterker med felles emitter. Over tidligere tiders skjema. Under skjema for PSpice. Finn arbeidspunktet : mål transistorens emitter-, base- og kollektorspenning i forhold til jord, og bestem V BE, V CE og I C. Gi resultatene i en tabell. B2. Bruk koblingen i figur 6 til måling av forsterkningene. Som oscilloscope benyttes transient analyse. Sett inngangssignalet slik at v L får Q2N3904~BC547 en rimelig størrelse, gjerne så stor som mulig uten at det gir forvrengning. Velg R S = 3.3 kw og f = 1 khz. Figur 7: Simulert måling av forsterkning ved hjelp av tonegenerator VSin og oscilloskop Mål sammenhørende verdier av v 1, v 2 og v L for forskjellige verdier av R L (Bruk 100, 200, 300, 500,1k, 2k, 4k, 10k, 47k og 100 kw). Legg resultatene i en tabell. Spenning-, strøm- og effektforsterkning finnes ved (1) A V = v ut v inn = (2) A I = i ut i inn = (3) A P =. A V A I v L v 2 v. L R s R. L v 1 v 2 5
Beregn A V, A I og A P og fremstill resultatene grafisk som funksjon av R L. Bruk logaritmisk skala for R L. Man kan vise at forsterkningene tilnærmet kan skrives: β Rc RL (1) AV( teoretisk ) hie Rc + RL β RC RL (2) AI( teoretisk) RL RC + RL R C er kollektormotstanden, som i dette tilfellet er 2.2 kω. Parametrene β og h ie er de såkalte småsignal hybridparametre. Normalverdier for disse parametre finnes vanligvis i fabrikantenes datablad. Typiske verdier er β=300 og h ie =4.5 kω. Typebetegnelsen (f.eks. BC547) har gjerne et suffiks (A,B eller C). β kan variere fra ca 100 til 800 avhengig av siste bokstav. Bruk et av punktene fra målt strømforsterkning sammen med ligning (2) og bestem β. Deretter bestemmes h ie fra målt spenningsforsterkningen og ligning (1). Med disse parametrene beregnes de teoretiske kurvene for A V, A I og A P. Tegn dem inn sammen med de målte punktene. 6