Дослідження транзистора в моделювальному комп’ютерному середовищі

Завдання роботи:

1. Дослідити підсилювальні властивості транзистора.
2. Визначити коефіцієнт підсилювання транзистора.

Обладнання:

ПК з програмами Multisim 11.0 та Excel.

Основні терміни та поняття

Multisim 11.0.2 Electronics Workbench 5.12 Транзистор Біполярний транзистор (принцип дії та характеристики) Біполярні транзистори

Теоретична частина

Транзистор – це напівпровідниковий елемент електронної техніки, який дає змогу керувати струмом, що протікає крізь нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги.

Транзистори є основними елементами сучасної електроніки. Зазвичай їх застосовують у підсилювачах і логічних електронних схемах. У мікросхемах у єдиний функціональний блок об’єднані тисячі й мільйони окремих транзисторів.

За будовою та принципом дії транзистори поділяють на два великі класи: біполярні та польові. До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.

У біполярному транзисторі носії заряду рухаються від емітера крізь тонку базу до колектора. База відділена від емітера й колектора p-n переходами. Струм протікає крізь транзистор лише тоді, коли носії заряду інжектуються з емітера в базу крізь p-n перехід. У базі вони є неосновними носіями заряду й легко проникають крізь інший p-n перехід між базою й колектором, прискорюючись при цьому. У самій базі носії заряду рухаються за рахунок дифузійного механізму, тож база має бути досить тонкою. Управління струмом між емітером і колектором здійснюється зміною напруги між базою та емітером, від якої залежать умови інжекції носіїв заряду в базу.

У польовому транзисторі струм протікає від витоку до стоку крізь канал під затвором. Канал існує в легованому напівпровідникові у проміжку між затвором і нелегованою підкладкою, в якій немає носіїв заряду та яка не може проводити струм. Безпосередньо під затвором існує область збіднення, в якій теж немає носіїв заряду завдяки утворенню між легованим напівпровідником і металевим затвором контакту Шотткі. Отже, ширина каналу обмежена простором між підкладкою та областю збіднення. Прикладена до затвору напруга збільшує чи зменшує ширину області збіднення, а тим самим ширину каналу, контролюючи струм.

Окрім поділу на біполярні та польові транзистори, існує багато різних типів, специфічних за своєю будовою.

Біполярні транзистори різняться за полярністю: вони бувають p-n-p та n-p-n типу. Середня літера в цих позначеннях відповідає типу провідності матеріалу бази.

Польові транзистори відрізняються за типом провідності в каналі. Вони поділяються на p-канальні (основний тип провідності – дірковий) та n-канальні (основний тип провідності – електронний).

Транзистор має два основні застосування: як підсилювач і як перемикач.

Підсилювальні властивості транзистора пов’язані з його здатністю контролювати великий струм між двома електродами за допомогою малого струму між двома іншими електродами. У такий спосіб малі зміни величини сигналу в одному електричному колі можуть відтворюватися з більшою амплітудою в іншому колі.

Використання транзистора в ролі перемикача пов’язане з тим, що, приклавши відповідну напругу до одного з його виводів, можна зменшити практично до нуля струм між двома іншими виводами; це називають запиранням транзистора. Цю властивість використовують для побудови логічних вентилів.

Позначення та будова біполярних транзисторів показана на рисунку 1.

Рис. 1. Будова та позначення біполярних транзисторів:

а) n-p-n транзистор; б) p-n-p транзистор

На рисунку 2 показана схема, яка дає можливість дослідити властивості транзистора. Вона буде застосовуватися в цій роботі.

Рис. 2. Схема для дослідження транзистора

Зазначена схема є схемою підсилення з загальним емітером. Амперметр A1 реєструє загальний струм I_Σ, а амперметр A2 – струм бази транзистора VT1 – І_бе. Вхідний сигнал, що подається на базу, імітується потенціометром R1. Резистор R2 використовується для обмеження струму бази. Як навантаження схеми використовується лампа X1. Струм колектора визначається за формулою:

(1)

де U – напруга джерела живлення, В;

R1 – номінальний опір потенціометра R1.

Струм емітера складається зі струму колектора і струму бази:

(2)

Найважливішою характеристикою транзистора в цій схемі є коефіцієнт підсилення за струмом, який визначається за формулою:

(3)

Коефіцієнт підсилення за змінним струмом за нульового опору навантаження – це коефіцієнт передачі струму h₂₁, що є одним з основних довідникових параметрів транзистора разом з номінальною напругою та струмом. За цими параметрами здійснюють вибір транзистора під час проектування різноманітних електронних схем.

У роботі пропонується дослідити властивості біполярного транзистора шляхом моделювання схеми за рис. 2 та визначення показників її роботи, необхідних для розрахунку коефіцієнту передачі струму.

Параметри компонентів для моделювання схеми зведені до таблиці 1.

Таблиця 1

Хід роботи

1. Запустіть програму Multisim 11.0.
2. Зайдіть у меню «Place» – «Component».
3. У вікні, що з’явилося, оберіть розділ «Transistors» та сімейство «BJT_NPN».
4. Оберіть транзистор BD237. Натисніть «ОК» та поставте його в довільне місце робочого поля програми.
5. Оберіть розділ «Basic» та сімейство «Potentiometer» (потенціометр).
6. Оберіть потенціометр опором 1 kΩ (кОм) та поставте його поряд з транзистором.
7. Оберіть сімейство «Resistor» (резистор, активний опір).
8. Оберіть резистор опором 250 Ω (Ом), та поставте його поряд з іншими компонентами.
9. Оберіть розділ «Indicators» та сімейство «Ammeter» (амперметр).
10. Оберіть «Ammeter_H» та поставте його поряд з іншими компонентами. Здійсніть цю операцію ще раз, оскільки за схемою потрібно два амперметри.
11. Оберіть сімейство «Virtual_Lamp» (віртуальна лампа), натисніть «ОК» та встановіть лампу поряд з іншими компонентами.
12. Оберіть розділ «Sources» (джерела).
13. Оберіть сімейство «Power sources» (джерела живлення).
14. Оберіть джерело живлення постійного струму «DC_Power», натисніть «ОК» та встановіть його поряд з іншими компонентами.
15. Оберіть «Ground» (заземлення), натисніть «ОК» та встановіть його поряд з іншими компонентами.
16. Закрийте вікно добору компонентів.
17. За допомогою інструментів програми, з якими ви ознайомилися під час виконання попередніх лабораторних робіт, з’єднайте всі компоненти відповідно до схеми на рис. 2. Заземлення має бути з’єднаним із загальним (від’ємним) провідником схеми.
18. Подвійним клацанням лівою кнопкою миші на лампі X1 відкрийте вікно її налаштування.
19. У вікні що з’явилося, задайте параметри: максимальна напруга – 10 V; максимальна потужність – 10 W.
20. Закрийте вікно налаштування лампи.
21. Натисніть кнопку «Пуск» . Почалося моделювання роботи схеми. На амперметрі U1 має відтворюватися значення загальної сили струму I_Σ, а на амперметрі U2 – значення сили струму бази І_бе.

Рис. 3. Приклад побудованої схеми

22. Підведіть курсор до потенціометра R1 та за допомогою віртуального движка встановіть опір R1_P 5% від номінального (50 Ом).
23. Зачекайте декілька секунд і запишіть показники амперметрів у відповідні графи таблиці результатів.
24. Повторіть кроки за пп. 22 та 23 для опорів від 5 до 100 % від номінального відповідно до другого графа таблиці результатів. Результати вимірювань заносьте до таблиці.
25. Після завершення вимірювань натисніть кнопку «Стоп».

Аналіз даних

1. За формулою (1) розрахуйте струм колектора.
2. За формулою (2) розрахуйте струм емітера.
3. За формулою (3) розрахуйте коефіцієнт підсилення.
4. Побудуйте графіки залежності коефіцієнту підсилення від струму бази та від струму колектора.
5. Дійдіть висновків про значення коефіцієнту підсилення транзистора та його залежності від струмів у схемі.

*Примітка. Для транзистора BD237 коефіцієнт підсилення перебуває в межах від 25 до 275, залежно від режиму роботи.

Таблиця результатів