VEILEDNING TIL LABORATORIEØVELSE NR 2 «TRANSISTORER» FY-IN 204 Revidert utgave 2000-03-01 Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 2 1
2. Transistoren Litteratur: Millman, Kap. 3 og Kap. 10 Oppgave: A. TRANSISTORKARAKTERISTIKKER: Tegne kollektorstrøm som funksjon av spenningen kollektor - emitter. 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: Enkel kobling for måling av transistorens karakteristikk. Noen viktige data for denne typen transistor er: Maksimal spenning kollektor - emitter 40V Maksimal spenning kollektor - base 40V Maksimal spenning emitter - base 5V Maksimal kollektorstrøm 100mA Maksimal effekt (V CE I C ) 300mW 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. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 2 2
Karakteristikker for transistorer finner man i fabrikantens datablad. Man kan selv ta opp karakteristikker med enkle koblinger, som f.eks. den i fig. 2. Som i oppgave 1 måles karakteristikker mest rasjonelt ved bruk av X-Y-skriver og kurvetegner (curve tracer). A1. Måling med X--Y-skriver Prinsippskissen i fig. 2 kan endres som vist i fig.3. Transistoren med motstander og tilførselsledningen kobles opp på veroboardet. Ledninger til X-Y skriveren og spenningsforsyningen tas via bøssinger på frontplaten. 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 MΩ, 0,5 MΩ og 330 kω for R, og beregn I B. (Spenningen base-emitter er ca. 0,6 volt). I B -verdiene påføres kurvene. For R kan brukes henholdsvis en, to eller tre motstander hver på 1 MΩ i parallell. Prøv ut først med pennen løftet. Husk at aksene skal være kalibrert. + 12 V 250 Ω 100 Ω 3W R Y X Figur 3: Kobling for måling med X--Y skriver 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. (skal ikke bygges). Figur 4: 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 Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 2 3
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. Fremstill karakteristikken grafisk (Kalibrering av aksene: se veiledningen for instrumentet!) B. Transistorforsterker Denne delen er en simulerings oppgave. I motsettning til foregående oppgave skal man her også tegne skjemaet selv. Som transistor velges en av NPN transistor modellene som er tilgjengelige i biblioteket. Vi kan ikke foreløpig garantere at dere finner samme transistor modell som den som ble benyttet tidligere i oppgaven og dere kan da velge f.eks transistoren 2N2222. (Husk at PSpice benytter M for milli, MEG for mega og at desimal tegnet er punktum og ikke komma.) B1. Tegne og simulere en transistorforsterker med felles emitter slik som vist i skjemaet i figur 5. Figur 5: Transistorforsterker med felles emitter. Over tidligere tiders skjema. Under skjema for PSpice. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 2 4
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. Velg R S = 3.3 kω og f = 1 khz. Figur 6: Måling av forsterkning ved hjelp av tonegenerator og oscilloskop Sett inngangssignalet slik at v L får en rimelig størrelse, gjerne så stor som mulig uten at det gir forvrengning, og 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 kω). Spenning-, strøm- og effekt-forsterkning finnes ved Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 2 5
A V = v ut v inn = A I = i ut i inn = A P =. A V A I v L v 2 v. L R s R. L v 1 v 2 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 + R β RC RL (2) AI( teoretisk) RL RC + RL R C er kollektormotstanden, som i dette tilfellet er 2.2 kω. L 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. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 2 6