Transistorkretser Laboratorieeksperimenter realfagseminar Sjøkrigsskolen 15. November 2010 1. Referanser http://wild-bohemian.com/electronics/flasher.html http://www.creative-science.org.uk/transistor.html http://www.ngsir.netfirms.com/englishhtm/amplifier.htm http://www.naturfag.no/artikkel/vis.html?tid=1352994&within_tid=1353014 http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_2.html 2. Utstyr Monteringsbrett, kabler og ledninger 12 likespenningsforsyning 1 stk. NPN transistor (BC547) 1 stk. motstand 360 Ω 1 stk. motstand 68 kω 1 stk. motstand 15 kω 1 stk. motstand 5,1 kω 1 stk. motstand 1,5 kω 2 stk. kondensator 10 µf 1 lysdiode Multimeter Signalgenerator Oscilloskop 3. Introduksjon Shockley, Bardeen og Brattain fikk Nobel-prisen i fysikk i 1956 for å ha oppfunnet transistoren, som har muliggjort revolusjonen innen kommunikasjon, databehandling og elektronikk generelt. i skal i disse eksperimentene se på hvordan transistoren kan brukes som bryter og som forsterker. Transistoren består av tre sjikt med dopet halvledermateriale (P-dopet og N-dopet). Det fins to hovedtyper transistorer, PNP og NPN. i benytter her BC547, som er en NPN-transistor.
4. Transistoren Transistoren er en elektronisk komponent som transformerer små elektriske strømmer (og spenninger) til større kopier av strømmene (og spenningene). i sier at transistoren gir forsterkning. Transistoren har tre bein (terminaler): base, kollektor og emitter. En liten strøm i basen gir en større strøm i kollektor-emitter. Denne forsterkningen, som vi kaller β, er typisk et sted mellom 100 og 600. 5. Hvordan virker den? i viser til referansene under punkt 1 og til lærebøker i Fysikk 1 for en grunnleggende innføring i virkemåten til transistorene. Her vil vi heller introdusere en vann-analogi for å gi en visuell forestilling om hvordan transistoren fungerer: Strømmen i kollektor-emitter er en forstørret kopi av strømmen i basen. Når det ikke går strøm i basen, er det heller ingen strøm i kollektor-emitter.
6. Eksperiment 1 - Likestrømsforsterkning Kopl opp kretsen vist i figuren under. I dette eksperimentet er transistoren brukt som en strømstyrt bryter. En liten strøm i basen vil gi en strøm mye større strøm i kollektor som er tilstrekkelig til at lysdioden lyser. Du skal kople deg selv inn i basen, slik figuren viser. Motstanden gjennom kroppen vår kan være hva som helst mellom ca 10 kω og 1 000 kω. Motstanden kommer an på spenningen vi blir utsatt for og ikke minst kontaktmotstanden mellom huden og ledningen. Hvis vi eksempelvis antar at den er 120 kω, får vi en strøm gjennom kroppen på 12 /120 kω =0,1 ma. Dette er altfor lite til å få en lysdiode til å lyse (den trenger ca. 10 ma).men når vi setter lysdioden i kollektor, er strømmen gjennom den minst 100 ganger høyere enn basestrømmen (altså 10 ma), og da vil dioden lyse. Oppgaver: 1. Kopl opp som figuren viser og se om dioden lyser (dioden må stå riktig vei). 2. Prøv også å la basestrømmen gå gjennom to kropper. Lyser dioden? 3. Sett inn 68 kω-motstanden i base (i stedt få å la strømmen gå gjennom kroppen), mål strøm i base og kollektor og bestem transistorens forsterkning β + 12 360 Ω
7. Eksperiment 2: Felles-emitter forsterker Transistorens egenskap som forsterker brukes selvfølgelig også til å forsterke forskjellige typer signaler, f..eks. audiosignaler. Kretsen under forsterker signalet fra inngangen til utgangen (oscilloskopet). Også her kan vann-analogien være nyttig for å få et visuelt bilde av hva som skjer. Emitterstrømmen er fremdeles en forstørret kopi av basestrømmen. For å få bølger, må vi ha et visst vannivå i utgangspunktet. Det samme er tilfelle når vi skal lage elektriske bølger i en transistorkrets. i må ha et visst likespenningsnivå før vi kan begynne å lage bølger. Signalet (som for eksempel representerer en lyd) er bølgene, likespenningsnivået er der kun for at bølgene skal ha noe å skvulpe i, det inneholder ikke noe lyd i seg selv. Du skal i dette eksperimentet kople opp en krets som gir et riktig arbeidspunkt ( vannivå ) og se hvordan et signal blir forsterket gjennom koblingen. Koblingen er en felle-emitter-krets som bl.a. brukes for å forsterke er audiosignal opp til hørbar styrke. Kopl opp kretsen under, men utelat kondensatoren i emitter foreløpig:
+ 12 68 kω 5,1 kω Oscilloskop 10 µf Innsignal 15 kω 1,5 kω 10 µf
Oppgaver: 1. Sett inngangssignalet til 1000 Hz med en amplityde på 0,5. 2. Sjekk på skopet at signalet har riktig frekvens og amplityde. 3. Behold innsignalet på kanal 1 på skopet, og kopl utsignalet til kanal 2. 4. Sjekk faseforskjell mellom inngang og utgang og bestem forsterkningen ut fra skopbildet. 5. Kopl nå inn kondensatoren i emitter, slik figuren viser. 6. Hva ser du? Hva blir forsterkningen nå? Emittermotstanden har til hensikt å stabilisere arbeidspunktet i kretsen. β-verdien til en transistor kan nemlig variere kraftig, og er bl.a. sterkt avhengig av omgivelsestemperaturen. Emittermotstanden sørger for at variasjonene i strømmene og spenningene i kretsen blir mye mindre enn variasjonene i β. Men denne motstanden forårsaker også en kraftig reduksjon i kretsens forsterkning av spenningssignalet. Denne virkningen kan elimineres ved å kople en kondensator i parallell, slik du gjorde i det siste eksperimentet. Den virker nemlig som en kortslutning for signalet, og sørger dermed for at motstanden ikke får noen innvirkningen på forsterkningen, men kun gjør det den skal, nemlig å stabilisere arbeidspunktet. Beregning av spenningsforsterkning: Når vi skal foreta signalbergeninger på en forsterker, bruker vi en modell for transistoren som kalles småsignalmodell. Modellen for selve transistoren ser du inne i den stiplede rammen. Modellen for hele forsterkerkretsen vår, vil se slik ut når emitter-kondensatoren er koblet inn: + i b + INN 68 kω 15 kω βr βi b e 5,1 kω UT Ut fra denne kan vi for eksempel beregne spenningsforsterkningen, definert ved Anta at r e =35 Ω. Finn et uttrykk for A UT = ut fra signalmodellen og regn ut. INN A UT =. INN
LØSNINGSFORSLAG: A UT βib 5,1k Ω 5,1k Ω 5,1k Ω = = = = = 146 βr i r 35Ω INN e b e Hvordan stemmer beregningen med det du målte? 8. edlegg: Fargekoder motstander