Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический университет

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

А.В. Горпинич, Л.И. Коляда

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по курсу «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

для студентов специальности 7.090603 –

«Электротехнические системы электропотребления»

дневной и заочной форм обучения

Утверждено на заседании

кафедры электроснабжения

промышленных предприятий

Протокол № 5 от 11 ноября 2003 г.

Мариуполь, 2004 г.

УДК 621.38 (072)

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Промышленная электроника» для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 7.090603 – «Электротехнические системы электропотребления»/ Составили: Л.И. Коляда, А.В. Горпинич. – Мариуполь: ПГТУ, 2004. – 44 с.

Монтаж и наладку лабораторных установок выполнил мастер производственного обучения В.П. Коляда.

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Составили:

канд. техн. наук, доц. Коляда Л.И.,

асс. Горпинич А.В.

Ответственный за выпуск

зам. зав. каф. ЭПП,

докт. техн. наук Саенко Ю.Л.

Рецензент

канд. техн. наук, доц. Гаврилов Ф.А.

Введение

Данное руководство к лабораторным работам по промышленной электронике содержит описание четырёх работ и методические указания к ним. Продолжительность каждой работы рассчитана на четыре часа. Студенты заочной формы обучения выполняют лабораторные работы в сокращённом объёме, что оговорено в индивидуальном задании, выдаваемом преподавателем.

В методических указаниях приведены необходимые теоретические сведения о работе приборов и исследуемых схем и математические соотношения для выполнения расчётных заданий. Это обусловлено тем, что по учебному плану лабораторные работы выполняются параллельно с чтением курса и могут опережать лекции по данной теме.

В руководстве приведены вопросы для самопроверки, что ориентирует студентов в главном направлении исследования.

Лабораторная работа №1 Исследование характеристик и параметров биполярного транзистора

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью лабораторной работы является:

- изучить режимы работы и освоить методику исследования входных и выходных характеристик транзистора;

- изучить эквивалентную схему и h-параметры транзистора;

- научиться определять h-параметры по статическим характеристикам транзистора.

2. УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

1. Ознакомиться с графиком выполнения лабораторной работы и сдачи отчёта.

2. Для успешного выполнения лабораторной работы повторить следующие вопросы, изученные в курсе «Электротехнические материалы»: электропроводимость примесных полупроводников, электрические процессы в p-n-переходе, полупроводниковые приборы. Изучить необходимый теоретический материал (см. список рекомендуемой литературы и раздел 3 данного методического руководства).

3. Подготовить таблицы для снятия экспериментальных характеристик. Ознакомиться с порядком выполнения лабораторной работы.

3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1. ТРАНЗИСТОР

Транзистор – это полупроводниковый триод, предназначенный для усиления или генерирования электрических сигналов.

Биполярный транзистор сплавного типа представляет собой монокристалл, имеющий три области с различными типами электропроводности, как показано на рис. 3.1.

В транзисторе p-n-p-типа левую p-область называют эмиттером, правую – коллектором, среднюю n-область – базой. В транзисторе n-p-n-типа левая n-область является эмиттером, правая – коллектором, средняя p-область – базой.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере структуры p-n-p-типа.

Рис. 3.1 - Биполярный транзистор сплавного типа:

а,б – устройство и условное обозначение транзистора p-n-p- типа;

в,г – устройство и условное обозначение транзистора n-p-n- типа

На рис. 3.2, б показаны концентрации основных и неосновных носителей в транзисторе при отсутствии источников напряжения. Концентрация электронов в базе значительно ниже концентрации дырок в эмиттере и коллекторе. Такое соотношение концентраций достигается при изготовлении транзистора.

Рис.3.2 - Диаграммы распределения концентраций носителей и потенциалов в транзисторе p-n-p-типа:

б – концентрация носителей при U_ЭБ=0, U_КБ=0; в – распределение потенциала при отсутствии внешних напряжений; д – распределение потенциала при наличии внешних напряжений; е – концентрации дырок в базе при U_ЭБ>0, U_КБ<0

В состоянии равновесия на границах p-n- переходов (П₁ и П₂) возникают потенциальные барьеры, как показано на рис. 3.2, в.

Если к эмиттерному переходу присоединить источник постоянного напряжения с полярностью, соответствующей проводящему направлению, а к коллекторному переходу – с обратной полярностью в соответствии со знаками, указанными на рисунке 3.2, г, то потенциальный барьер эмиттерного перехода снизится на U_ЭБ, а потенциальный барьер коллекторного перехода увеличится на U_КБ (см. рис. 3.2, б). Снижение потенциального барьера эмиттерного перехода приводит к увеличению числа дырок, которые могут преодолеть этот барьер и перейти из эмиттера в базу. Концентрация их на границе эмиттера и базы увеличивается (рис. 3.2, е).

Поскольку потенциальный барьер коллекторного перехода увеличивается, дырки через этот переход из коллектора в базу не поступают. Подходящие к границе коллекторного перехода со стороны базы дырки вытягиваются полем в коллекторную область и, пройдя коллекторный слой, создают коллекторный ток I_K. Концентрация дырок в базе уменьшается и у коллекторного перехода её можно принять равным нулю при обратном напряжении на коллекторном переходе больше 0.1В. Распределение концентрации дырок в базе для рассмотренной полярности включения напряжения приближённо можно считать линейным (см. рис. 3.2, е).

Возникший в базе градиент концентраций дырок вызывает диффузионный ток дырок от эмиттера к коллектору.

Поскольку концентрация электронов в эмиттере и коллекторе намного меньше концентрации дырок в базе, изменением распределения электронов при наличии источников напряжения и диффузионными электронными токами можно пренебречь. В процессе диффузии дырок к коллекторному переходу часть их рекомбинирует с электронами в базовой области (следовательно, ток I_K меньше I_Э). Для сохранения нейтральной базы в неё входят электроны из базового электрода, обуславливающие рекомбинационную составляющую тока базы. Кроме этой составляющей через цепь базы проходит обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I_КО, который в большинстве случаев мал по сравнению с рекомбинационной составляющей и представляет собой ток коллектора при токе эмиттера равном нулю (I_Э=0).

Токи в транзисторе связаны соотношением:

(3.1)

где - соответственно токи эмиттера, коллектора и базы.

Отношение приращения коллекторного тока к приращению эмиттерного тока называют коэффициентом передачи тока от эмиттера к коллектору и обозначают ; при

(3.2)

Коэффициент изменяется в пределах от 0.9 до 0.995.

Соотношение (3.2) позволяет выразить ток I_K через ток I_Э. Эта зависимость с учётом теплового тока имеет вид:

.

(3.3)

Связь между токами в транзисторе и приложенными между его электродами напряжениями выражается вольт-амперными входными и выходными характеристиками транзистора. Вид характеристик транзистора зависит от схемы включения.

При использовании транзисторов в схемах возможны три способа включения в зависимости от того, какой из электродов является общей точкой для входной и выходной цепей: 1) с общей базой (ОБ); 2) с общим эмиттером (ОЭ); 3) с общим коллектором (ОК).

Входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рисунок 3.3, а), приведены на рисунке 3.3, б,в.

Входная характеристика выражает зависимость при. (- входной ток для данной схемы). Рассмотрим входную характеристику транзистора при(рис. 3.3, б). Точке 1 на этой характеристике соответствует распределение концентрации дырок в базе, показанное прямой 1 на рис. 3.3, г. Эмиттер имеет положительный потенциал относительно базы. Потенциал коллектора относительно базы в этом случае также положителен, поскольку он равен потенциалу эмиттера. Концентрация дырок в базе значительно превышает равновесную. Число рекомбинаций в базе велико, следовательно и ток базы значителен. Понижение напряженияприводит к повышению высоты потенциальных барьеров эмиттерного и коллекторного переходов и уменьшению концентраций дырок в базе. Число рекомбинаций в базе и ток базы уменьшается. Повышениепо абсолютной величине при неизменном напряженииприводит к уменьшению концентрации дырок на границе базы и коллектора и к расширению коллекторногоp-n-перехода, вследствие чего база сужается. Число рекомбинаций в базе уменьшается, и ток базы также уменьшается. Изменение распределения концентрации дырок в базе при повышении напряжения показано прямыми 2, 3 на рис. 3.3, г, которым соответствуют точки 2 и 3 на входных характеристиках транзистора (см. рис. 3.3, б). При обратном напряжении на эмиттерном и коллекторном переходах через базу проходят обратные токи этих переходов.

Рис. 3.3 - Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ:

а – схема включения; б – входные характеристики; в – выходные характеристики;

д,г – распределение дырок в базе

Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 3.3, а), выражает зависимость при. Здесь можно выделить три характерные области:I – начальная линейная область (сильная зависимость от),II – относительно слабая зависимость от,III – пробой коллекторного перехода.

Повышение напряжения между коллектором и эмиттером приводит к повышению напряжения на коллекторном переходе и прямого напряжения на эмиттерном переходе (см. рис. 3.3, а). При увеличении напряжения на коллекторном переходе он расширяется и база сужается. Сужение базы должно привести к уменьшению числа рекомбинирующих в ней дырок, однако при заданном токе базы оно не изменяется. Число рекомбинаций поддерживается на прежнем уровне за счёт увеличения количества поступающих в базу дырок, которое имеет место при повышении прямого напряжения на эмиттерном переходе. Градиент концентраций дырок в базе увеличивается (переход от прямой 4 к прямой 5 на рис. 3.3, д), что приводит к увеличению (переход от точки 4 к точке 5 на рис. 3.3, в).

Аналогично увеличение приприводит к увеличению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора (переходы от прямой 5 к прямой 6 на рис. 3.3, д и соответственно от точки 5 к точке 6 на рис. 3.3, в).

Аналогично увеличение приприводит к увеличению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора (переходы от прямой 5 к прямой 6 на рис. 3.3, д и соответственно от точки 5 к точке 6 на рис. 3.3, в).

Для получения соотношения между токами коллектора и базы в уравнении (3.3) заменяем суммой. Решая полученное уравнение относительно, находим

,

(3.4)

где - коэффициент передачи тока от базы к коллектору в схеме ОЭ. При измененииот 0.9 до 0.995 коэффициентизменяется от 10 до 100. Иными словами, транзистор в схеме ОЭ даёт усиление по току. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме ОЭ, чем, в частности, определяется её широкое практическое применение.

Следует отметить, что пробой коллекторного перехода в схеме ОЭ имеет место при напряжении в 1.5 – 2 раза меньшем, чем в схеме ОБ. Это происходит за счёт увеличения тока.

При повышении температуры окружающей среды ток увеличивается (примерно в 2 раза при повышении температуры на 7 – 10С), увеличивается коэффициент передачи . Поэтому выходные характеристики транзистора при повышении температуры смещаются вверх. Влияние температуры на характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, сказываются сильнее, чем на характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, что следует из сравнения соотношений (3.3) и (3.4).

2. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Для аналитического расчёта схем на транзисторах пользуются эквивалентными схемами. На рисунке 3.4 приведены эквивалентные Т-образные схемы транзистора, включенного по схеме ОБ (рис. 3.4, а) и транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 3.4, б). Схемы приведены для средних частот, с применением дифференциальных параметров транзистора.

Рис. 3.4 - Эквивалентная схема транзистора:

а – включенного по схеме ОБ;

б – включенного по схеме ОЭ

Эквивалентную схему с применением дифференциальных параметров можно использовать при малых изменениях токов и напряжений, когда связь между ними можно считать линейной.

Обозначения на схеме:

- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, связывающее приращение тока эмиттера с приращением напряжения на эмиттерном переходе

;	(3.5,а)
;	(3.6,б)

- сопротивление базового слоя;

- дифференциальный коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору в схеме ОБ

;

(3.6)

- источник тока, учитывающий передачу тока от эмиттера к коллектору в схеме ОБ.

- дифференциальный коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору в схеме ОЭ

;

(3.7)

- источник тока, учитывающий передачу тока из базовой цепи в коллекторную в схеме ОЭ;

- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОБ

;

(3.8)

- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ

.

(3.9)

Непосредственное измерение внутренних параметров транзистора невозможно, поскольку в реальном транзисторе нет доступа к общей точке, соединяющей ветви Т-образной эквивалентной схемы.

Рис. 3.5 -Эквивалентная схема транзистора в виде четырёхполюсника

Для получения эквивалентных параметров транзистора, которые можно измерить, его представляют в виде четырёхполюсника (рис. 3.5). В схеме: - входной ток,- входное напряжение,- выходной ток,- выходное напряжение. Выбрав две из этих величин за независимые переменные, можно определить значения двух других с помощью уравнений четырёхполюсника. Биполярный транзистор можно представить в виде линейного четырёхполюсника, если в качестве переменных принять приращения токови напряжений, накладывающихся на постоянные составляющие и связанные линейной зависимостью. За независимые переменные удобно выбрать приращения входного токаи выходного напряжения. Такой выбор обусловлен малым входным и большим выходным сопротивлением транзистора, что позволяет легко осуществить режим источника тока на входе и источника напряжения на выходе транзистора. В этом случае уравнения четырёхполюсника принимает вид:

;	(3.10)
;	(3.11)

Коэффициенты называютh-параметрами транзистора. Из уравнения (3.10) находим, что коэффициент представляет собой входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении (при)

;

(3.12)

а коэффициент - коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе (при)

;

(3.13)

Из уравнения (3.11) получаем, что коэффициент представляет собой коэффициент передачи тока при постоянном входном напряжении (при)

,

(3.14)

а коэффициент - выходную проводимость при неизменном входном токе (при)

.

(3.15)

В справочниках по транзисторам обычно приводятся h-параметры, измеренные в схеме ОБ при типовых значениях постоянных составляющих тока и напряжения. Применив уравнения (3.12-3.13) к схеме рис. 3.4, а, можно установить связь между h-параметрами и внутренними параметрами транзистора. Эта связь выражается следующими зависимостями:

,	(3.16)
;	(3.17)
;	(3.18)
.	(3.19)

Решив систему уравнений (3.16-3.19) относительно внутренних параметров транзистора, получаем:

;;;

(3.20)

Если транзистор включён по схеме ОЭ, где входным током является ток базы (см. рис. 3.4, б), то сопротивления именяются местами, но имеют тот же физический смысл и тот же порядок величин, что и в схеме ОБ. Сопротивлениеуменьшается враз, так как ток базы враз меньше тока эмиттера.

2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ H-ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА ПО ЕГО СТАТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ДЛЯ СХЕМЫ ОЭ

Реально измеренными величинами являются статические характеристики транзистора. Примерный вид входных и выходных характеристик исследуемого транзистора показан на рис. 3.6 и 3.7.

Рис. 3.6 - Входные статические Рис. 3.7 - Выходные статические

характеристики транзистора характеристики транзистора

Задаёмся режимом работы транзистора, например: I_б=100мкА, U_КЭ=-5В. Данному режиму на входных характеристиках соответствует точка Р, а на выходных – точка Р’.

Через точку Р проводим касательную к воображаемой характеристике приU_КЭ=-5В. Это выполнить несложно, так как приведенные характеристики при U_КЭ=-1В и U_КЭ=-10В почти совпадают, а кривая при U_КЭ=-5В должна лежать между ними. Затем произвольно проводим две прямые параллельно осям координат и получаем прямоугольный треугольник АВС. Его катеты соответственно равны:

;.

Находим Ом.

На выходных характеристиках проводим касательную через точку Р’ (касательная совпадает с характеристикой приI_Б=100мкА) и также произвольно проводим две прямые параллельно осям координат. Образуется треугольник А’B’C’, из которого имеем:

.

Определяем Ом.

Затем, через точку P’ проводим прямую, параллельную оси ординат, до пересечения с соседними характеристиками, построенными при I_Б=50 и 100 мкА. Отрезок ДЕ==2.8мА=2.810^-3 А. Ему соответствует изменение тока базы I_Б=150-50=100мкА=0.110^-3А при U_КЭ=-5В.

Находим .

Далее вычисляем физические параметры транзистора. Сопротивление эмиттера для выбранного режима равно:

Ом,

где I_К – ток коллектора, I_Б – ток базы, соответствующие точке Р’ на выходных характеристиках транзистора (рис 3.7).

Сопротивление базы равно:

Ом.

Сопротивление коллектора равно:

.

После расчёта физических параметров можно составить эквивалентную схему исследуемого транзистора.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ. ОБЩЕЕ ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема для получения входных и выходных характеристик биполярного транзистора представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1 – Схема лабораторной установки

Лабораторная установка позволяет снимать статические характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Изменение токов и напряжений в цепи базы осуществляется с помощью регулируемого резистора R₁, а в цепи коллектора – с помощью резистора R₂.

2. ОБЩЕЕ ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Снять входные статические характеристики биполярного транзистора при, включенного по схеме ОЭ.

2. Снять выходные статические характеристики транзистора при.

3. Построить графики статических характеристик транзистора.

4. Определить h-параметры для заданного режима транзистора по графикам его статических характеристик.

5. Вычислить физические параметры и составить эквивалентную схему транзистора.

Примечания:

1. Значения напряжения коллектор-эмиттер для снятия входных характеристик и значения тока базы для снятия выходных характеристик задаёт преподаватель.

2. Значения токов и напряжений, при которых следует рассчитать h-параметры транзистора, указаны в индивидуальных заданиях.

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с методическим руководством.

2. Получить задание у преподавателя.

3. При отключенном от сети стенде повернуть ручки регулируемых резисторов R₁ и R₂ против часовой стрелки до упора. Тумблером П_С включить стенд. Описанные операции осуществлять перед проведением каждого эксперимента.

4. Снять входные характеристики транзистора при заданных значенияхU_КЭ. Для этого резистором R₂ установить по вольтметру ИП₄ U_КЭ=0В (или любое другое значение). Резистором R₁ установить по милливольтметру ИП₁ напряжение U_БЭ, указанное в таблице 6.1. Величины токов I_Б снимать по показаниям микроамперметра ИП₂. Результаты записать в таблицу 6.1.

Внимание! После каждой установки напряжения U_КЭ следить за величиной U_КЭ и при необходимости корректировать, так как по условию U_КЭ=const.

5. Снять выходные характеристики транзистора при заданных значениях токаI_Б. Резистором R₁ установить по микроамперметру ИП₂ ток базы, например I_Б=50мкА (или другое заданное значение). Резистором R₂ установить по вольтметру ИП₄ напряжение U_КЭ, указанное в таблице 6.2. Величины тока I_К снимать по показаниям ИП₃. Результаты записать в таблицу 6.2.

Внимание! После каждой установки U_КЭ следить за величиной I_Б, и при необходимости корректировать, т.к. по условию I_Б=const. После проведения экспериментов необходимо рукоятки резисторов R₁ и R₂ повернуть против часовой стрелки до упора и тумблером П_с отключить стенд от сети.

6. Построить графики зависимостей: при,при.

7. В соответствии с индивидуальным заданием определить h-параметры транзистора по его статическим характеристикам.

8. Выполнить п. 5 общего задания.

9. Составить отчёт о работе.

10. Подготовиться к защите отчёта.

5. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Все результаты измерений оформить в виде таблиц.

Таблица 6.1 - Результаты измерений при снятии входных характеристик транзистора

Тип транзистора

Таблица 6.2 - Результаты измерений при снятии выходных характеристик транзистора

Тип транзистора

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В выводах отразить:

• практическое значение статических характеристик, эквивалентной схемы и h-параметров транзистора;

5. УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЁТА

Составить отчёт о работе, в котором привести: цель работы, схему установки, результаты экспериментов (в виде таблиц), графики полученных зависимостей, вычисления h-параметров и физических параметров транзистора, эквивалентную схему транзистора и выводы по работе.

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какое основное назначение транзистора?

2. Чем отличаются транзисторы типа n-p-n от транзисторов типа p-n-p?

3. Какой вид имеют входные и выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ?

4. Как изменяется вид входных и выходных характеристик транзистора при повышении температуры окружающей среды?

5. Назовите основные схемы включения транзистора.

6. Какая схема включения транзистора имеет наибольшее распространение и почему?

7. Какая система параметров получила наибольшее применение для транзистора как четырёхполюсника?

8. Объясните выпрямляющее действие p-n перехода.

9. Объясните принцип действия биполярного транзистора.

10. Что называют коэффициентом передачи по току в схеме ОБ и в схеме ОЭ?

11. Перечислите основные физические параметры биполярного транзистора.

12. Объясните входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Покажите, как по ним определяются h-параметры?

13. Приведите формулы, связывающие основные физические параметры сh-параметрами транзистора?

14. Какое аналитическое выражение, физический смысл и размерность имеют h-параметры транзистора?

15. В чём состоит практическая ценность эквивалентной схемы транзистора?

16. Почему h-параметры и эквивалентная схема транзистора справедливы только для малых сигналов?

ЛИТЕРАТУРА

1. Каганов И.Л. Промышленная электроника/ И.Л. Каганов. – М.: Высшая школа, 1968, с.36-48, 92-108.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника/ Ю.С. Забродин. – М.: Высшая школа, 1982, с.7-15, 20-28, 42-61.

3. Мелешкина Л.П. Руководство к лабораторным работам по основам промышленной электроники/ Л.П. Мелешкина, Г.Е. Алексеева, М.Л. Фраткина. – М.: Высшая школа, 1977, с. 13-25.

4. Горбачёв Г.Н. Промышленная электроника/ Г.Н. Горбачёв, Е.Е. Чаплыгина. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 20-28.