Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника. Моделирование вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов. Практикум
.pdf
11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ИНТЕРАКТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
1. Цель работы
Изучить измерение ВАХ транзистора в режиме интерактивного модели-
рования программы Multisim.
2. Методические рекомендации
Проводя исследования виртуальных транзисторов, необходимо понимать,
что даже при превышении их предельных электрических параметров с ними не
произойдут необратимые физико-химические процессы. Проще говоря, они фи-
зически не выйдут из строя и их можно исследовать дальше. В реальных же ис-
следованиях с транзисторами надо обращаться осторожно, чтобы не вывести их
из строя и не получить при этом лишние проблемы схемотехнического и мате-
риального характера. Поэтому студентам надо, по возможности чаще, напоминать об этом и рекомендовать проводить исследования так, как они делали бы
это с реальными приборами, т. е. знать предельные токи, напряжения, мощности транзистора и в процессе моделирования не превышать эти значения.
Прежде чем проводить исследования транзистора, необходимо, используя
справочные данные, определить его тип и выписать максимальные (предельные)
эксплуатационные параметры (отдельные параметры могут отсутствовать):
– максимальный коэффициент передачи тока базы;
– максимальные входные напряжение и ток;
– максимальные выходные напряжение и ток;
– максимальную мощность.
Для этого в программе Multisim выбрать из имеющейся номенклатуры
нужный транзистор, нажав на кнопку со схемным обозначением транзисто-
ра (рис. 5).
12
Рис. 5. Кнопка Транзисторы
В открывшейся вкладке выбрать, например, транзистор 2N5883. Это
можно сделать по-разному.
Вариант 1. Требуется знать структуру транзистора (n-p-n или p-n-p) и
нажать на соответствующую кнопку в левом столбце Семейство. Раскроется
следующее окно (рис. 6).
Рис. 6. Выбор структуры транзистора
Далее, используя перемещение вверх-вниз по второму столбцу, найти
нужный транзистор (рис. 7).
13
Рис. 7. Выбор транзистора (вариант 1)
Вариант 2. Вписать в окно Компонент модель транзистора, т. е. 2N5883,
и он тут же появится в окне Символ (рис. 8).
Рис. 8. Выбор транзистора (вариант 2)
Независимо от способа поиска и установки транзистора в окно програм-
мы, Multisim возвращается к предыдущей вкладке (рис. 7 или 8). Далее необходимо нажать на кнопку Состав и обратиться к новой открывшейся вкладке
Окно отчета (рис. 9).
14
Рис. 9. Параметры транзистора
Наиболее важные электрические параметры, которые надо знать и сле-
дить за ними в ходе моделирования, ― это напряжения, ток и мощность
(рис. 10).
Рис. 10. Электрические параметры транзистора
Все параметры указаны в системе СИ. В Multisim имеются некоторые непривычные обозначения; например, символ hFE ― это коэффициент h
21Э
.
Как указано выше, входная характеристика транзистора ― это зависимость входного тока IВХ от входного напряжения UВХ при неизменном выходном напряжении U
, т. е. зависимость вида IВХ(UВХ) при U
ВЫХ
= const. Поэтому
ВЫХ
в качестве источника питания входной цепи следует использовать регулируемый источник постоянного напряжения, а источник питания выходной цепи
может быть нерегулируемый.
Необходимо понимать, что при увеличении напряжения питания входной
цепи, помимо увеличения тока базы, будет увеличиваться и ток коллектора
транзистора. Поэтому нужно следить за тем, чтобы ток коллектора не превысил
максимально допустимое значение, определенное ранее. С этой целью в цепь
коллектора необходимо установить контрольный амперметр и для защиты вы-
ходной цепи ― плавкий предохранитель с номиналом примерно 0,9 ∙ I
К max
.
15
Для того чтобы ток коллектора не превысил указанный предел при уве-
личении входного напряжения и, как следствие, тока базы, необходимо ввести в
цепь базы резистор R, ограничивающий при максимальном входном напряжении ток базы до величины, при которой ток коллектора достигает предельного
значения в 0,9 ∙ I
. Для расчета номинала резистора необходимо:
К max
– используя формулу связи между входным и выходным током транзистора, рассчитать ток базы, при котором ток коллектора будет равен 0,9 ∙ I
К max
в расчете принять максимальное значение коэффициента передачи тока базы;
– исходя из установленного максимального напряжения источника пита-
ния входной цепи и величины тока базы, при котором коллекторный ток не
выйдет за границу допустимого, рассчитать номинал резистора R, приняв внут-
реннее сопротивление источника питания базовой цепи и сопротивление пере-
хода база-эмиттер транзистора равными нулю. Параметры измерительных приборов считать идеальными и в расчете не использовать.
Для контроля тока и напряжения в цепь базы включить мультиметры в
режиме амперметра и вольтметра (рис. 11).
;
Рис. 11. Схема измерения входных ВАХ транзистора
На схеме не указана структура транзистора. Это сделано намеренно: схе-
ма одинакова для исследования транзисторов разных типов переходов.
3. Лабораторная часть
3.1. Измерение входных ВАХ
В ходе работы необходимо получить две входные характеристики соответственно при двух напряжениях питания выходной цепи:
– U
– U
= 0 В;
ВЫХ
= 0,9 ∙ U
ВЫХ
КЭ МАКС
В.
16
В соответствии с рис. 11 и индивидуальным заданием (см. приложение)
собрать схему для измерения входных ВАХ.
3.1.1. Установить на рабочее окно программы Multisim исследуемый
транзистор.
3.1.2. Установить источник регулируемого напряжения входной цепи.
Для этого нажать на кнопку Источники (рис. 12).
Рис. 12. Кнопка Источники на панели инструментов
В открывшейся вкладке выбрать DC_INTERACTIVE_VOLTAGE
(рис. 13).
Рис. 13. Регулируемый источник постоянного напряжения
В свойствах этого источника установить нулевым минимальное значение,
а максимальное напряжение ― равным 0,9 ∙ U
БЭ max
В.
Если в справочных данных отсутствует значение максимального напряжения между базой и эмиттером транзистора, то его следует определить экспериментальным путем таким образом, чтобы при этом напряжении ток коллек-
тора не превысил допустимого значения. В качестве первоначального принять
максимальное значение входного источника питания равным 5…7 В, рассчи-
тать для него величину сопротивления ограничивающего резистора R и установить его в схему.
3.1.3. В цепь базы установить мультиметры: один ― для измерения тока,
другой ― напряжения.
3.1.4. Установить нерегулируемый источник питания выходной цепи. Для
этого, как и ранее, нажать на кнопку Источники и в открывшейся вкладке выбрать источник DC_POWER (рис. 14).
17
Рис. 14. Вкладка Выбор компонента; источники питания
Нажав ОК, поместить элемент в окно программы и в свойствах этого ис-
точника установить значение напряжения выходной цепи U
ВЫХ
= 0 В.
3.1.5. В коллекторную цепь установить плавкий предохранитель с пред-
варительно рассчитанным номиналом тока защиты.
Предохранители, для которых можно установить произвольный ток сра-
батывания, размещены на инструментальной панели компонентов ― Пассив-
ные компоненты (рис. 15).
Рис. 15. Вкладка Пассивные компоненты
В открывшейся вкладке сделать установки:
– База данных: Основная;
– Раздел: Basic;
– Семейство: RATED_VIRTUAL.
Выбрать в окне Компонент предохранитель FUSE_RATED и нажать
кнопку OK. После появления этого предохранителя в окне схемы закрыть
вкладку Выбор компонента, нажать правой кнопкой мышки на появившемся
предохранителе и выбрать в раскрывшемся списке пункт Свойства (рис. 16, а),
а после нажатия на нее в открывшейся вкладке установить нужное значение тока защиты (на рис. 16, б, как пример, 22 А для транзистора 2N5883).
18
а) б)
Рис. 16. Установка номинала предохранителя
3.1.6. Установить входное напряжение максимальным. Включить схему
(Пуск или F5 на панели инструментов) и записать величину токов базы и кол-
лектора. Вероятнее всего, ток коллектора будет отличаться от расчетного зна-
чения 0,9 ∙ I
К МАКС
. Это объясняется тем, что параметры транзистора имеют раз-
брос в некотором диапазоне. Кроме того, в расчете не учтены внутренние со-
противления элементов структурной схемы. Поэтому следует скорректировать
ток базы так, чтобы ток коллектора был близок к величине 0,9 ∙ I
К МАКС
. Выключить схему (Стоп или красный квадрат на панели инструментов) и скорректировать сопротивление резистора R.
Для этого:
– заменить резистор R с постоянным сопротивлением на потенциометр
R1 с номиналом примерно (1,5…2)∙R; соединить вывод движка с одним из дру-
гих выводов, получив при этом резистор с переменным сопротивлением
(рис. 17);
Рис. 17. Потенциометр (резистор с переменным сопротивлением)
19
– установить движок потенциометра в такое положение, чтобы он имел
максимальное сопротивление протеканию тока базы;
– включить схему;
– медленно уменьшая сопротивление переменного резистора R1, наблю-
дать за увеличением токов базы и коллектора;
– изменение сопротивления прекратить, когда ток коллектора достигнет
величины, близкой к 0,9 ∙ I
К МАКС
;
– зафиксировать полученные значения токов базы и коллектора;
– выключить схему;
– измерить получившееся сопротивление потенциометра R1, предвари-
тельно отключив его от схемы;
– заменить потенциометр на постоянный резистор с таким же номиналом
сопротивления и установить его в схему.
Если в процессе корректировки номинала резистора не удается добиться
результата, то не исключено, что потребуется в небольших пределах изменить
величину напряжения источника питания входной цепи.
3.1.7. Установить напряжение регулируемого источника питания входной
цепи равным нулю.
3.1.8. Включить схему. Медленно увеличивая напряжение источника пи-
тания базовой цепи исследуемого транзистора, фиксировать напряжение между
базой и эмиттером и соответствующий ток базы. Зафиксировать не меньше
(15…20) точек. Составить таблицу измеренных значений напряжения и тока и
выключить схему.
3.1.9. По полученным данным построить в Excel (рекомендуется!) или
Mathcad входную характеристику транзистора.
0,9 ∙ U
3.1.10. Установить напряжение источника питания выходной цепи U
КЭ МАКС
В.
ВЫХ
=
3.1.11. Провести измерения, необходимые для построения входной харак-
теристики, аналогичные проделанным в п. 3.1.6‒3.1.8.
3.1.12. Построить входную вольт-амперную характеристику исследуемого
транзистора на том же графике, что и для предыдущего напряжения питания
выходной цепи.
3.1.13. Сравнить входные характеристики. Сделать выводы:
– о влиянии напряжения между эмиттером и базой на величину тока базы;
– о влиянии напряжения между эмиттером и коллектором на величину
тока базы при постоянном напряжении между эмиттером и базой.
3.1.14. Сохранить экспериментальную схему и полученные результаты в
виде скриншотов.
20
3.2. Измерение выходных ВАХ транзистора
Выходные вольт-амперные характеристики описываются зависимостью
IК(UКЭ) при разных, но постоянных токах базы (IБ = const). Поэтому в качестве
источников питания целесообразно использовать регулируемые источники тока
входной цепи и напряжения выходной цепи (рис. 18). За основу рекомендуется
взять схему анализа входных ВАХ, предварительно сохранив ее.
Рис. 18. Структурная схема измерения выходных ВАХ транзистора
3.2.1. Заменить в схеме предыдущего эксперимента нерегулируемый ис-
точник напряжения выходной цепи на регулируемый.
3.2.2. В свойствах этого источника установить нулевым минимальное
значение, а максимальное напряжение ― равным 0,9 ∙ U
КЭ max
В.
3.2.3. Заменить регулируемый источник напряжения входной цепи на ре-
гулируемый источник тока: DC_INTERACTIVE_CURRENT (рис. 19).
Рис. 19. Регулируемый источник тока
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]