Skripta Elektronické součástky - Laboratorní cvičení

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Elektronické součástky
Laboratorní cvičení

Garant předmětu:
Prof. Ing. Jaromír Brzobohatý, CSc.


Autoři textu:
Doc. Ing. Arnošt Bajer, CSc.
Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc.
Ing. Jaroslav Boušek, CSc.


Elektronické součástky - laboratorní cvičení 1
Obsah
1 Úvod...................................................................................................................................5
2 Zařazení předmětu ve studijním programu...................................................................5
2.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU...................................................................................................5
2.2 VSTUPNÍ TEST..............................................................................................................6
3 V-A charakteristiky polovodičových diod Úloha č. 1...............................................7
3.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ:..................................................................................................7
3.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ...................................................................................8
3.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................10
3.3.1 Vlastnosti polovodičových diod........................................................................10
3.3.2 Označování parametrů diod.............................................................................11
3.3.3 Přehled parametrů běžně používaných diod :..................................................12
4 Dioda jako usměrňovač Úloha č. 2..............................................13
4.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................13
4.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................14
4.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................15
4.3.1 Dynamický režim polovodičové diody..............................................................15
4.3.2 Náhradní odpor diody......................................................................................15
5 Dioda jako řízený odpor Úloha č. 3..............................................17
5.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................17
5.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................18
5.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................20
5.3.1 Dynamický režim diody....................................................................................20
6 Stabilizační dioda Úloha č. 4..............................................22
6.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................22
6.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................23
6.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................24
6.3.1 Stabilizační dioda.............................................................................................24
6.3.2 Stabilizátory napětí...........................................................................................24
7 Bipolární tranzistor - VA-charakteristiky Úloha č. 5.............................................26
7.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................26
7.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................27
7.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................29
7.3.1 Bipolární tranzistor..........................................................................................29
7.3.2 Princip činnosti................................................................................................29
7.3.3 Popis bipolárního tranzistoru rovnicemi dvojbranu........................................31
8 Bipolární tranzistor jako zesilovač Úloha č. 6.............................................33
8.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................33
8.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................34
8.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................36
8.3.1 Tranzistor jako nízkofrekvenční zesilovač........................................................36
8.3.2 Nastavení pracovního bodu tranzistoru...........................................................36
8.3.3 Stabilizace pracovního bodu............................................................................37
8.3.4 Linearizovaný model........................................................................................39
8.3.5 Kmitočtová závislost zesílení............................................................................39
9 VA-charakteristiky tranzistoru JFET Úloha č. 7................................................40
9.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ.................................................................................................40
9.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................41
9.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................43
9.3.1 Princip funkce unipolárního tranzistoru..........................................................43
2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
9.3.2 Admitanční rovnice náhradního lineárního obvodu........................................44
10 Zesilovače s tranzistorem JFET Úloha č. 8............................................45
10.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ................................................................................................45
10.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................46
10.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................48
10.3.1 Nastavení pracovního bodu tranzistoru JFET.................................................48
11 Bipolární a JFET tranzistor jako spínač Úloha č. 9........................................50
11.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ................................................................................................50
11.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................51
11.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................53
11.3.1 Bipolární tranzistor ve spínacím řežimu.........................................................53
11.3.2 Unipolární tranzistor ve spínacím řežimu......................................................55
12 Měření na optronu Úloha č. 10............................................56
12.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ................................................................................................56
12.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................57
12.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................59
12.3.1 Charakteristika optočlenu................................................................................59
13 Charakteristiky tyristoru Úloha č. 11............................................61
13.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ................................................................................................61
13.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................62
13.3 TEORETICKÉ POZNÁMKY...........................................................................................63
13.3.1 Princip činnosti tyristoru.................................................................................63
14 Určení barierové kapacity přechodu PN Úloha č. 12..........................................67
14.1 POKYNY PRO MĚŘENÍ................................................................................................67
14.2 MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ.................................................................................68
15 Výsledky vstupního testu...........................................................................................69

Elektronické součástky - laboratorní cvičení 3
Seznam obrázků
OBRÁZEK 1: PROPUSTNÝ SMĚR................................................................................................7
OBRÁZEK 2: ZÁVĚRNÝ SMĚR...................................................................................................7
OBRÁZEK 3: SCHEMATICKÁ ZNAČKA A USPOŘÁDÁNÍ STAVEBNÍCH PRVKŮ DIODY.................10
OBRÁZEK 4: ZAPOJENÍ DIODY V PROPUSTNÉM SMĚRU.........................10
OBRÁZEK 5: ZAPOJENÍ DIODY V ZÁVĚRNÉM SMĚRU..............................10
OBRÁZEK 6: VÝZNAČNÉ HODNOTY NA VA-CHARAKTERISTICE.............................................11
OBRÁZEK 7: V-A CHARAKTERISTIKY RŮZNÝCH TYPŮ DIOD – TYPICKÉ PRŮBĚHY..................12
OBRÁZEK 8: SÉRIOVÝ USMĚRŇOVAČ......................................................................................13
OBRÁZEK 9: PARALELNÍ USMĚRŇOVAČ A PRŮBĚHY NAPĚTÍ..................................................13
OBRÁZEK 10: NÁHRADNÍ SCHÉMA DIODY Z LINEÁRNÍCH OBVODOVÝCH PRVKŮ......................15
OBRÁZEK 11: NÁHRADNÍ SCHÉMA DIODY PRO NÍZKÉ KMITOČTY.............................................15
OBRÁZEK 12: STATICKÝ A DYNAMICKÝ ODPOR ZVA-CHARAKTERISTIKY................................15
OBRÁZEK 13: PŘÍKLADY PRŮBĚHŮ VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ SÉRIOVÉHO USMĚRŇOVAČE..............16
OBRÁZEK 14: ZAPOJENÍ 1........................................................................................................17
OBRÁZEK 15: ZAPOJENÍ 2........................................................................................................17
OBRÁZEK 16: PRACOVNÍ REŽIM DIODY V ZAPOJENÍ 1.............................................................20
OBRÁZEK 17: NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO ZAPOJENÍ 1.................................................................20
OBRÁZEK 18: NÁHRADNÍ SCHÉMA PRO ZAPOJENÍ 2................................................................21
OBRÁZEK 19: PRACOVNÍ REŽIM DIOD PRO ZAPOJENÍ 2.............................................................21
OBRÁZEK 20: MĚŘENÍ VA-CHARAKTERISTIKY........................................................................22
OBRÁZEK 21: MĚŘENÍ NA STABILIZÁTORU...............................................................................22
OBRÁZEK 22: PRACOVNÍ OBLAST STABILIZAČNÍ DIODY...........................................................24
OBRÁZEK 23: ZAPOJENÍ STABILIZÁTORU .................................................................................24
OBRÁZEK 24: REŽIM ČINNOSTI STABILIZÁTORU......................................................................25
OBRÁZEK 25: ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ.......................................................................................26
OBRÁZEK 26: ROZDĚLENÍ PROUDŮ V BIPOLÁRNÍM TRANZISTORU..........................................29
OBRÁZEK 27: NEVODIVÝ REŽIM TRANZISTORU.......................................................................29
OBRÁZEK 28: PRACOVNÍ REŽIMY TRANZISTORU......................................................................30
OBRÁZEK 29: SÍŤ CHARAKTERISTIK........................................................................................30
OBRÁZEK 30: OBECNÝ DVOJBRAN...........................................................................................31
OBRÁZEK 31: NÁHRADNÍ LINEÁRNÍ OBVOD.............................................................................31
OBRÁZEK 32: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM EMITOREM.................................................................33
OBRÁZEK 33: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM KOLEKTOREM............................................................33
OBRÁZEK 34: NASTAVENÍ PB PŘEDŘADNÝM REZISTOREM ......................................................36
OBRÁZEK 35: STABILIZACE PB POMOCÍ R
E
.............................................................................37
OBRÁZEK 36: STABILIZACE PB DĚLIČEM V BÁZI.....................................................................37
OBRÁZEK 37: DRUHY ZAPOJENÍ ZESILOVAČŮ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM A JEJICH
VLASTNOSTI.......................................................................................................................38
OBRÁZEK 38: ZESILOVAČ SE SPOLEČNÝM EMITOREM..............................................................39
OBRÁZEK 39: NÁHRADNÍ LINEARIZOVANÝ OBVOD A JEHO PARAMETRY.................................39
OBRÁZEK 40: ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ.......................................................................................40
OBRÁZEK 41: PRINCIP FUNKCE UNIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU JFET.......................................43
OBRÁZEK 42: VA-CHARAKTERISKY JFETU............................................................................44
OBRÁZEK 43: NÁHRADNÍ LINEÁRNÍ OBVOD............................................................................44
OBRÁZEK 44: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNOU ELEKTRODOU S..........................................................45
OBRÁZEK 45: ZAPOJENÍ SE SPOLEČNOU ELEKTRODOU D.........................................................45
OBRÁZEK 46: VOLBA PRACOVNÍHO BODU V SOUSTAVĚ CHARAKTERISTIK TRANZISTORU .......48
OBRÁZEK 47: PB POMOCÍ DALŠÍHO ZDROJE ............................................................................48
OBRÁZEK 48: PB POMOCÍ R
S
...................................................................................................49
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
OBRÁZEK 49: PB POMOCÍ DĚLIČE NAPĚTÍ...............................................................................49
OBRÁZEK 50: ZAPOJENÍ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM..........................................................50
OBRÁZEK 51: ZAPOJENÍ S UNIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM.......................................................50
OBRÁZEK 52: SPÍNAČ S TRANZISTOREM..................................................................................53
OBRÁZEK 53: PRACOVNÍ REŽIMY TRANZISTORU V JEHO CHARAKTERISTIKÁCH......................53
OBRÁZEK 54: PRŮBĚHY NAPĚTÍ A PROUDU KOLEKTORU PŘI SPÍNÁNÍ......................................54
OBRÁZEK 55: MĚŘENÍ VSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY ..............................................................56
OBRÁZEK 56: MĚŘENÍ VÝSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY.............................................................56
OBRÁZEK 57: MĚŘENÍ DYNAMICKÉHO PŘENOSOVÉHO POMĚRU................................................56
OBRÁZEK 58: PŘÍKLADY PARAMETRŮ NĚKTERÝCH TYPŮ OPTOČLENŮ...................................60
OBRÁZEK 59: MĚŘENÍ VSTUPNÍ CHARAKTERISTIKY TYRISTORU.............................................61
OBRÁZEK 60: ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ SPÍNACÍ CHARAKTERISTIKY TYRISTORU........................61
OBRÁZEK 61: NÁHRADNÍ SCHÉMA TYRISTORU.......................................................................63
OBRÁZEK 62: VA-CHARAKTERISTIKA TYRISTORU.................................................................64
OBRÁZEK 63: REGULACE PROUDU ODPOROVOU ZÁTĚŽÍ........................................................65
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 5

1 Úvod
Mikroelektronické technologie se užívají při výrobě celé řady součástek. Předně jsou to
polovodičové součástky jako tranzistory, tyristory atd., monolitické integrované obvody, dále
hybridní integrované obvody, které umožňují použít více různých technologických postupů na
jeden substrát (základní desku), také optoelektronické součástky. Používají se též při výrobě
CD disků, hologramů, při nanášení speciálních povrchů na určité materiály atd.
Bez mikroelektroniky by nebylo dnešních počítačů, televizorů, mobilů, prostě žádné
moderní elektronické zařízení. V každém dnešním elektronickém výrobku naleznete
integrované obvody. A právě o podstatě těchto a dalších součástek pro mikroelektroniku bude
řeč v předmětu Elektronické součástky.
Předmět Elektronické součástky je právě jedním z těch předmětů, které uvádí studenty do
náročnějších oblastí studia, zvláště pak v laboratorních cvičeních dává možnost ověření
platnosti řady teoretických poznatků.
Co je tedy náplní tohoto studia. Jsou to základy fyziky polovodičů, vlastnosti přechodu PN,
polovodičová dioda, bipolární a unipolární tranzistor, další nejen polovodičové součástky
nezbytné pro konstrukci elektronických obvodů.
2 Zařazení předmětu ve studijním programu
Předmět Elektronické součástky je zařazen v tříletém bakalářském studijním programu
ELEKTROTECHNIKA, ELEKTRONIKA, KOMUNIKAČNÍ A ŘÍDÍCÍ TECHNIKA jako
povinný a společný pro všechny obory. Je vyučován v letním semestru prvního ročníku studia
v rozsahu 26 hodin přednášek, 13 hodin numerických cvičení a 26 hodin laboratorních
cvičení.
2.1 Úvod do předmětu
Toto skriptum je určeno studentům na úrovni druhého semestru prvního ročníku
bakalářského studia. Obsahuje celkem 11 úloh tak, aby aktivně obsáhly celý rozsah výuky .
Jednotlivé kapitoly představují laboratorní úlohy v souladu s náplní přednášek a mají
jednotnou koncepci. Vždy za názvem kapitoly, tj. názvem laboratorní úlohy následuje úkol,
pokyny pro měření, vlastní měření a jeho vyhodnocení. Na konci kapitoly jsou teoretické
poznámky, které by studentovi měly usnadnit přípravu na cvičení.
Podkapitola „Měření a jeho vyhodnocení“ zahrnuje připravené tabulky a souřadnicové
sítě, které umožňují snadné grafické zpracování naměřených event. vypočtených hodnot.
Předpokládá se také, že část se zadáním a část „Měření a jeho vyhodnocení“ bude vytištěna a
odevzdána učiteli v laboratoři ke kontrole. Tento systém také umožní dobře připraveným
studentům odevzdání zpracovaných výsledků měření ještě v rámci daného laboratorního
cvičení.
Laboratoře sloužící pro výuku předmětu Elektronické součástky umožňují základní
měření parametrů elektronických součástek a jejich jednoduchých aplikací v analogových
obvodech.Ve vybavení laboratoří jsou digitálními multimetry METEX 3800, osciloskopy
6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
5506 (60 MHz), digitálními osciloskopy Tektronix TDS 210, generátory funkcí 8205A,
napájecí zdroje TSZ 75, AUL 310, BS 554, nepájivá kontaktní pole a řada dalších výukových
prostředků.
2.2 Vstupní test
Jako základ pro snadné zvládnutí praktického cvičení se předpokládá jistá znalost
z přednášek předmětu ESO. Nezbytná je základní znalost vlastností a chování elektronických
prvků a součástek pro úspěšné absolvování cvičení. Pro stručné zhodnocení znalostí lze využít
následující krátké otázky a příklady. Odpovědi a případná řešení naleznete na konci tohoto
skripta.
1. Nakreslete základní strukturu bipolárního tranzistoru a vysvětlete podstatu
tranzistorového jevu.
2. Uveďte složky proudu v bipolárním tranzistoru typu NPN.
3. Do čtyř kvadrantů souřadného systému zakreslete základní charakteristiky
bipolárního tranzistoru.
4. Uveďte používané pracovní režimy tranzistoru.
5. Uveďte tři základní zapojení bipolárního tranzistoru a jejich vlastnosti.
6. Jak jsou vyjádřeny zesilovací schopnosti tranzistoru ?
7. Nakreslete Ebersův-Mollův model tranzistoru a uveďte význam jeho
jednotlivých prvků.