Skripta Elektronické součástky - Laboratorní cvičení

í U
2
právě přestane
být znatelně zkreslené.
Osa grafu A

v dB bude lineární, osa kmitočtu f bude logaritmická.
Průběhy pro obě zapojení zakreslete do jednoho souřadného systému.

Zapojení 1
f [Hz]
U
2
[V]
A
f1
[dB]

Zapojení 2
f [Hz]
U
2
[V]
A
f2
[dB]


U kmitočtové charakteristiky se při nízkých kmitočtech projeví pokles vlivem velké
reaktance vazebního kondenzátoru Cv.





Elektronické součástky - laboratorní cvičení 19
0
10
20
30
0102030


0
10
20
30
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

Závěr:







20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
5.3 Teoretické poznámky

5.3.1 Dynamický režim diody

Předpokládáme, že vstupní střídavé napětí u
1
je ve srovnání s řídícím napětím U
r
velmi malé,
a že tak jeho změna zásadně neovlivňuje polohu pracovního bodu diody. Aby diodou vůbec
protékal nějaký proud musí být U
F
> U
r
+ U
1 ,
tedy součet řídicího napětí a amplitudy
vstupního signálu musí být větší než prahové napětí diody. Bude-li tento součet menší, pak
výstupní signál bude nulový.


Obrázek 16: Pracovní režim diody v zapojení 1

Řídicí napětí U
r
odpovídá napětí na diodě U
F
(viz obr.16) a určuje při daném rezistoru R
1
,
polohu pracovního bodu (P
1
,P
2
) diody na VA-charakteristice a velikost jejího dynamického
odporu r
d
(viz úloha 2). Při stálém vstupním napětí u
1
závisí proud diodou a napětí na
pracovním rezistoru R
1
na poloze pracovního bodu, a tedy na velikosti napětí U
r.
Z obrázku je
zřejmé, že jestliže bude pracovní bod v oblasti velkého zakřivení charakteristiky, bude
docházet ke značnému zkreslení střídavého signálu u
1.
Jestliže bude pracovní bod ve strmé
přímkové části, bude amplituda výstupního signálu největší a nezkreslená. Poměry v obvodu
z hlediska střídavého signálu lze vyjádřit pro zapojení 1 následujícím náhradním schématem
(za předpokladu, že zdroj napětí U
r
je stabilizovaný lze předpokládat, že jeho vnitřní odpor je
roven nule):

Přenos obvodu A je dán dělícím poměrem děliče z rezistorů r
d
a R
1.
Tento dělící poměr je
proměnný, závislý na dynamickém odporu diody r
d
, jehož velikost je dána polohou
pracovního bodu, a tedy řídicím napětím U
r
.
Přenos je pak v souladu s náhradním schématem:


Obrázek 17: Náhradní schéma pro zapojení 1

d
rR
R
U
U
A
+
==
1
1
1
2
, v decibelech :
1
2
log20
U
U
A
dB
= [dB]
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 21
Pro zapojení 2 vypadá náhradní obvod následovně:



Obrázek 18: Náhradní schéma pro zapojení 2

Obrázek 19: Pracovní režim diod pro zapojení 2

Budou-li rezistory R1 a R2 stejné a budou-li stejné i diody, pak oběma diodami
potečou stejné proudy a jejich dynamické odpory budou stejné.
Nelinearity obou diod se budou vzájemně kompenzovat a proto zkreslení výstupního
signálu bude podstatně menší než v zapojení 1 (viz obr.19).


















22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
6 Stabilizační dioda Úloha č. 4
Úkol: 1. Změřte VA-charakteristiku dané stabilizační diody
2. Navrhněte a proměřte zdroj referenčního napětí se stabilizační diodou

6.1 Pokyny pro měření


1a) Změřte voltampérovou charakte-
ristiku dané stabilizační diody
v závěrném směru v zapojení podle
schématu pro rozsah proudu
I
D
= 0 až cca 60mA a vyneste do grafu


1b) Určete stabilizační napětí U
Z
.

- Stabilizační napětí zadané diody U
Z

může být v rozsahu cca 4,7 - 16V.


Obrázek 20: Měření VA-charakteristiky

R
0
= cca 220Ω


2a) Vypočtěte odpor rezistoru R
1
pro

R
2
= 500Ω.

Napětí U
1
zvolte přibližně jako dvoj-
násobek stabilizačního napětí (podle
změřené diody).

Pracovní bod zvolte pro I
D
= 50mA.


2
21
1
II
UU
R
D
+
−
=


2b) Proveďte měření na sestaveném
stabilizátoru.
Zvolte změnu vstupního napětí
U
1
(± ∆u
1
) o ±1V

a odečtěte odpovídající změnu
U
2
(± ∆u
2
).







Obrázek 21: Měření na stabilizátoru


Z naměřených hodnot určete poměrný
činitel napěťové stabilizace


2
1
1
2
2
11
U
u
u
U
U
U2u
Uu
S
∆
∆
⋅=
∆
∆
=
/
/

a dynamický odpor v pracovním bodě


D
2
D
i2
u2
r
∆
∆
=
.
.

Spolupracoval: Datum Hodnocení
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 23
6.2 Měření a jeho vyhodnocení

VA-charakteristika - tabulka naměřených hodnot - graf
U
D

[V]

I
D
[mA]


0
























Návrh stabilizátoru:
2D
21
1
II
UU
R
+
−
= =

Poměrný činitel napěťové stabilizace: U
1
= U
2
= Pro ∆u
1
=1V je ∆u
2
=

2
1
1
2
2
11
U
u
u
U
U
U2u
Uu
S
∆
∆
⋅=
∆
∆
=
/
/
=

Dynamický odpor diody:
D
2
D
i2
u2
r
∆
∆
=
.
.
=

U
D
[V]
I
D
[mA]
24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
6.3 Teoretické poznámky
6.3.1 Stabilizační dioda

Stabilizační dioda je polovodičová dioda jejíž vlastnosti v propustném směru odpovídají
vlastnostem běžné křemíkové diody. V závěrném směru však vlivem tenkého přechodu PN a
silně dotovaného materiálu polovodiče dochází k nedestruktivnímu průrazu. Do závěrného
napětí asi 6V se jedná o tzv. tunelový jev od napětí vyšších o lavinový jev. Vzhledem k tomu,
že při těchto jevech jsou teplotní závislosti opačného charakteru, jsou diody se stabilizačním
napětím kolem 6V vhodné pro konstrukci referenčních zdrojů.
6.3.2 Stabilizátory napětí

Stabilizátory napětí mají za úkol udržovat na svém výstupu stálé napětí U
2
v co největším
rozsahu změn napájecího napětí U
1
a výstupního proudu I
2
(Obr.23).

Obrázek 22: Pracovní oblast stabilizační diody
Pro konstrukci stabilizátorů se využívá rozsáhlé oblasti závěrné části VA-charakteristiky za
jejím ohybem po vzniku průrazu. Oblast proudů 0 až I
Dmin
(Obr.22)

nemá pro toto použití
význam. Nastavení pracovního bodu za ohyb charakteristiky je možné provést vhodnou
volbou rezistoru R
1
(Obr.IV-4). Výsledný pracovní bod P stabilizační diody je průsečíkem
zatěžovací přímky a VA-charakteristiky. Zatěžovací přímka prochází body U
1
(napětí
naprázdno) a I
k
(proud nakrátko).








Obrázek 23: Zapojení stabilizátoru

Stabilizátor bez odběru proudu, tj. bez zatěžovacího rezistoru R
2
nemá prakticky smysl.
Rezistor R
2
zpravidla představuje proměnnou zátěž. Napájecí napětí zdroje se obvykle volí
nejméně jako dvojnásobek stabilizovaného výstupního napětí U
2
. Podle Obr.IV-4 je zřejmé,
že proud ze zdroje I = I
D
+ I
2
. Při stálém vstupním napětí U
1
a proměnném rezistoru R
2
budou
poměry v obvodu následující:
poklesne-li proud I
2
, stoupne proud I
D
, stoupne-li I
2
, poklesne I
D
.
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 25















Obrázek 24: Režim činnosti stabilizátoru
Při velkém poklesu I
2
dojde k velkého nárůstu I
D
a je nebezpečí překročení dovolené
výkonové ztráty na diodě. Při velkém nárůstu I
2
, tj. velkém poklesu I
D
se může pracovní bod
dostat pod hodnotu I
Dmin
mimo pracovní oblast charakteristiky.
Vliv změny vstupního napětí na velikost výstupního napětí při stálé zátěži je patrný z obr.IV-
5. Je zřejmé, že změna U
2
je ve srovnání se změnou U
1
výrazně menší, zvláště uvážíme-li
poznámku o čitelnosti obrázku.

Pro zvolený pracovní bod P lze hodnotu rezistoru R1 určit ze vztahu:
2D
21
1
II
UU
R
−
−
=
Aby bylo možné posoudit kvalitu stabilizace tj. odolnost proti změnám výstupního proudu
nebo změnám vstupního napětí, proudové nebo napěťové stabilizace.

Činitel proudové stabilizace:
2
2
I
i
u
S
∆
∆
=
Činitel napěťové stabilizace:
2
1
U
u
u
S
∆
∆
=
Poměrný činitel napěťové stabilizace:
2
1
1
2
2
11
U
u
u
U
U
U2u
Uu
S
∆
∆
⋅=
∆
∆
=
/
/

Čím je hodnota stabilizačního činitele vyšší, tím je stabilizace kvalitnější.

Z odpovídajících změn napětí a proudu v okolí pracovního bodu lze určit i dynamický odpor
diody v pracovním bodě :

D
2
D
i2
u2
r
∆
∆
=
.
.

Kvalita stabilizace bude tím vyšší, čím bude dynamický odpor menší. Toto je nejzřetelnější
z průběhu VA-charakteristiky. Čím je strmější, tím je r
D
menší. Diody s malým stabilizačním
napětím (do cca 10V) mají charakteristiku strmější ve srovnání s diodami pro vyšší napětí
(>18V). Proto se stabilizační diody pro vyšší napětí obvykle vytváří sériovým spojením diod
pro nižší napětí. Dosahuje se tím také menší teplotní závislosti.

U
I
R
I
Dmi
I
Dma
Pro větší čitelnost obrázku
je strmost charakteristiky
záměrně zmenšena
+∆ u
1
U
1
-∆ u
1
U
2
± ∆ u
2
I
k
= U
1
/R
1
Zatěžovací
přímka
I
D
± ∆i
D
P
26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
7 Bipolární tranzistor - VA-charakteristiky Úloha č. 5

Úkol: 1. Pro zapojeníse společným emitorem změřte výstupní charakteristiku
I
C
= f (U
CE
) / při I
B
= konst. (5 křivek)
2. Změřte vstupní charakteristiku I
B
= f (U
BE
) / při U
CE
= konst. (2 křivky)
3. Změřte převodní charakteristiku I
C
= f (I
B
) / při U
CE
= konst. (2 křivky)
4. Do grafu vyneste změřené charakteristiky a sestrojte převodní
charakteristiku z výstupních a porovnejte se změřenou charakteristikou.
5. Určete h-parametry v pracovním bodě.

7.1 Pokyny pro měření

1. Výstupní charakteristika

Pro daný tranzistor nastavte
postupně proud báze
I
B
= 10; 20; 40; 60; 80; 100 µA.

Pro každou hodnotu I
B
změřte
závislost

I
C
= f (U
CE
) / při I
B
= konst.

pro I
C
max = cca 20mA, to bude při
U
CE
=10V

Pozn. V případě, že I
C
při zadaných
hodnotách I
B
je I
C
>20 mA , volte nižší
hodnoty I
B
, např. 30, 40, 50 µA.

2. Vstupní charakteristika

I
B
= f (U
BE
) / při U
CE
= konst.

Pro U
CE
= 5 a 7V nastavujte
napětí U
BE
tak, aby odpovídající
proudy báze byly opět 10; 20; 40;
60; 80; 100 µA




Obrázek 25: Zapojení pro měření

3. Převodní charakteristika

I
C
= f (I
B
) / při U
CE
= konst.

Pro zvolené hodnoty UCE (5 a 7V) zjistěte zadanou závislost.

4. Zvolte vhodná měřítka a charakteristiky
zakreslete do zadaného souřadného systému.



Z naměřených závislostí vyjádřete hybridní parametry náhradního lineárního obvodu
pro pracovní bod P (U
CE
= 5V, I
B
= 30µA).

Vstupní odpor []Ω Proudový zesilovací činitel (β)

.konstU
B
BE
e11
CE
I
U
h
=






∆
∆
=
.konstU
B
C
e21
CE
I
I
h
=






∆
∆
=

Zpětný napěťový přenos Výstupní vodivost [S]

konstI
CE
BE
e12
B
U
U
h
=






∆
∆
=
.konstI
CE
C
e22
B
U
I
h
=






∆
∆
=

Spolupracoval: Datum Hodnocení
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 27
7.2 Měření a jeho vyhodnocení
Výstupní charakteristika I
C
= f (U
CE
) / při I
B
= konst
I
B
=
U
CE
[V]
I
C
[mA]
I
B
=
U
CE
[V]
I
C
[mA]
I
B
=
U
CE
[V]
I
C
[mA]
I
B
=
U
CE
[V]
I
C
[mA]
I
B
=
U
CE
[V]
I
C
[mA]

Vstupní charakteristika I
B
= f (U
BE
) / při U
CE
= konst.

U
CE
=
U
BE
[V]
I
B
[µA]
U
CE
=
U
BE
[V]
I
B
[µA]

Převodní charakteristika I
C
= f (I
B
) / při U
CE
= konst.

U
CE
=
I
B
[µA]
I
C
[mA]
U
CE
=
I
B
[V]
I
C
[µA]

28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně



















































U
CE

I
B

U
BE

I
C

V
ý
st
upní
Převodní
V
s
t
upní
Elektronické součástky - laboratorní cvičení 29
7.3 Teoretické poznámky

7.3.1 Bipolární tranzistor

Bipolární tranzistor se skládá alespoň ze tří různě dotovaných oblastí tvořících dva přechody
PN v těsném uspořádání. Principiální uspořádání tranzistoru NPN a PNP je na obr.V-2. Názvy
emitoru a kolektoru respektují skutečnost, že silně dotovaný emitor N
++
(event. P
++
) emituje
elektrony (event. díry) do úzké báze P
+
(event. N
+
), kterou většina z nich projde a je
přitahována kolektorem N (event. P). Množství prošlých částic z emitoru do kolektoru lze
přitom ovládat velikostí proudu báze. Elektrické parametry jsou závislé na stupni dotace a
rozměrech jednotlivých oblastí. Emitor je tedy dotován nejvíce, kolektor nejméně.






Obrázek 26: Rozdělení proudů v bipolárním tranzistoru
7.3.2 Princip činnosti
Bipolární tranzistor se skládá ze dvou P-N přechodů (báze-emitor BE a báze-kolektor BC),
které lze polarizovat čtyřmi možnými způsoby. Odtud pak vyplývají čtyři možné režimy
činnosti. Podle polarizace přechodů P-N tranzistoru NPN je jejich přehled možných
pracovních režimů uveden v následující tabulce ve výstupní VA-charakteristice na obr.V-4.

Polarizace přechodu BE Polarizace přechodu BC Režim
U
B
< U
Te
U
BC
≤ 0 Závěrný - Nevodivý
U
BE
≥U
Te BC
< 0 Normální aktivní
U
BE
< 0 U
BC
≥ U
Tc
Inverzní aktivní
U
BE
> U
Te
U
BC
> 0 Saturace
(U
Te
je prahové napětí emitorového a U
Tc
kolektorového přechodu).

Obrázek 27: Nevodivý režim tranzistoru
V nevodivém režimu (obr. 27, zapojení SE) představuje přechod B-E energetickou bariéru
bránící průchodu elektronů z emitoru do báze a děr z báze do emitoru. Do kolektoru mohou
být elektrickým polem závěrně polarizovaného přechodu B-C extrahovány jen minoritní
E
Emitor
B
Báze
C
Kolektor
E
Emitor
B
Báze
C
Kolektor
N
++
P
+
N
P
++
N
+
P
I
B

I
C

I
B
C
B

E
C
B

E
NPN PNP
I
C

30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
elektrony z úzké báze, kterých je ale málo.
V zapojení na obr. 27a,b,c je výsledkem tohoto stavu průtok malého, tzv. zbytkového proudu.
Pro zapojení a) je tento proud
označen I
CES
, kde S značí zkrat
(Short) báze na zem. Zbytkový
proud je z uvedených zapojení
nejmenší. V případě b) je celý
proud I
CB0
přechodu B-C
zesilován na přechodu B-E a I
CE0

je tak ze všech případů největší. V
zapojení c) je zbytkový proud I
CER

ve srovnání s b) menší, protože je
část proudu I
CB0
odvedena
rezistorem R. Výrazného snížení
zbytkového proudu lze dosáhnout
zapojením zdroje napětí do báze
(namísto rezistoru R) tak, že
závěrně polarizuje přechod B-E.
Pro daný tranzistor tedy závisí
hodnota zbytkového proudu na
způsobu jeho zapojení do obvodu.
Jednotlivé pracovní oblasti jsou
vyznačeny na obr. 28 ve VA-
charakteristikách.
Obrázek 28: Pracovní režimy tranzistoru





















Obrázek 29: Síť charakteristik
Typické charakteristiky
bipolárního tranzistoru
pro tranzistor NPN v
zapojení SE
U
CE

I
C

I
B
= 0
I
B

U
BC
= 0
hranice režimu
saturace
režim závěrný
U
BE
< 0, U
BC
< 0
U
BE
= 0
hranice závěrného
režimu
režim saturace
U
BE
> 0, U
BC
> 0
režim aktivní normální
U
BE
> 0, U
BC
< 0
výstupní
převodní
zpětné
vstupní
U
CE
> 0,5 V
I
B
[µA]
I
B

U
BE

[mV]
U
CE
= 0
U
CE
> 5 V
U
CE
[V]
I
C
[mA]
I
B

[µA]
konstU
BC
C