Kennlinienaufnahme des Transistors BC170

Kennlinienaufnahme des Transistors BC170
Einleitung
Bipolare Transistoren werden aus zwei eng benachbarten pn-Übergängen gebildet. Vorrausetzung für das
Funktionsprinzip ist die gegenseitige Beeinflussung beider pn-Übergänge, die nur bei sehr geringer
Basisweite möglich wird. Die Schichtfolge der drei beteiligten Halbleitergebiete bestimmt den Typ der
Transistoren: npn oder pnp.
Anwendung: Verstärkertransistoren, Schalttransistoren oder nach ihrer Leistung in Kleinsignal- bzw.
Leistungstransistoren.
Grundschaltungen: Basisschaltung, Emitterschaltung, Kollektorschaltung
Die Emitterschaltung ist die am häufigsten angewandt wird.
Kennlinienfelder in Emitterschaltung: Im Transistor stehen vier Größen (Eingangsstrom und –spannung,
Ausgangsstrom und –spannung) zueinander in Beziehung. Sie hängen wegen der Verkopplung über die
Sperrschichten voneinander ab und beeinflussen sich gegenseitig.
Das Kennlinienfeld eines Bipolartransistors mit Arbeitsgerade (gestrichelt), Verlustleistungshyperbel
(strichpunktiert) und Anstiegswinkeln der Kennlinien im Arbeitspunkt A:
Versuch
Ptot = 300 mW
Icmax = 100 mA
UCEmax =30 V
1. Prüfung der pn – Strukturen auf ihre Funktion (R → ∞ bzw. R → 0 einsetzen) mit einem Ohmmeter.
Tabelle
Strecke B – E
Strecke C – B
Strecke C – E
Durchlassrichtung
→0
→0
→∞
Sperrrichtung
→∞
→∞
→∞
1
2. Aufnahme der Eingangskennlinie
Das Eingangskennlinienfeld ist die Darstellung UBE = f (IB, UCE) in der Form UBE = f (IB) mit UCE als
Parameter. Der Einfluß von UCE kann meist vernachlässigt werden. In der Eingangskennlinie IB = f (UBE) sind
der Eingangsstrom und –spannung verknüpft.
Parameter UCE = 5 V
IB = f (UBE)
Schaltung
Messwerte
UBE in V
0,2
0,5
0,55
0,6
0,63
0,65
0,66
IB in µA
0
0
0
4
11
26
34
3. Aufnahme der Ausgangskennlinie
Im Ausgangskennlinienfeld wird IC = f (IB, UCE) in der Form von Ausgangskennlinien IC = f (UCE), die also
Ausgangsstrom und –spannung verknüpfen, mit IB als Parameter dargestellt. Es gibt auch die
Aussteuerbarkeit in Bezug auf Kurvenform und Leistung an. Diese Nutzbarkeit der Ausgangskennlinien wird
bei den pn- Übergängen durch die maximale zulässige Verlustleistung bzw. die Durchbruchsspannung
begrenzt.
U = 15 V
UBE = 0,68 V
Parameter IB in µA
2
Schaltung
Messwerte
IB in µA
UCE in V 0,1
0,2
0,5
1
2
4
8
12
14
20
IC in mA 1,45
1,9
1,95
1,95
1,97
2
2,12
2,25
2,31
30
2,75
4,1
4,2
4,2
4,2
4,3
4,7
5,0
5,1
40
4,1
5,9
6,0
6,0
6,0
6,1
7,0
7,3
8,0
60
5,0
8,8
9,2
9,3
9,5
10
11
12
13
80
8,0
12,1
12,5
13,9
14,2
14,8
16,2
18,8
19,2
4. Ermittlung der Übertragungskennlinie
Das Stromübertragungskennlinienfeld ist die Darstellung von IC = f (IB, UCE) in der Form IC = f (IB) mit UCE als
Parameter. Der Einfluss kann meist vernachlässigt werden, so dass näherungsweise eine
Stromübertragungskennlinie entsteht, in der Ausgangsstrom IC und Eingangsstrom IB verknüpft sind. Diese
Kennlinie verläuft annähernd linear und sie dient zur Entnahme des Gleichstromverstärkers B bei jeweiligen
Arbeitspunkt.
B=
IC
IB
Parameter UCE = 5 V
Messwerte:
IB in µA
10
20
30
40
60
80
IC in mA
1,67
2,1
5,2
7,5
11,1
15,3
3
Berechnung der Verlustleistungshyperbel
Bei Verwendung und Dimensionierung von Transistorschaltungen, sollte zu Beginn die sogenannte
Verlustleistungshyperbel in das Ausgangskennliniefeld eingetragen werden.
IC =
Ptot
300mW
=
= 3A
U CE
0,1V
IC =
Ptot
300mW
=
= 1,5 A
U CE
0,2V
IC =
Ptot
300mW
=
= 300mA
U CE
1V
IC =
Ptot
300mW
=
= 150mA
U CE
2V
IC =
Ptot
300mW
=
= 75mA
U CE
4V
IC =
Ptot
300mW
=
= 37,5mA
U CE
8V
IC =
Ptot
300mW
=
= 25mA
U CE
12V
IC =
Ptot
300mW
=
= 21,4mA
U CE
14V
IC =
Ptot
300mW
=
= 18,7 mA
U CE
16V
IC =
Ptot
300mW
=
= 600mA
U CE
0,5V
4
Untersuchungen am dynamischen Verstärker mit Bipolartransistor
Es sind durch messtechnische Verfahren die Eigenschaften der 3 Grundschaltungen nachzuweisen und
gegebenenfalls mit den grafisch ermittelte sowie durch die Ersatzschaltung mit den rechnerisch ermittelten
Werten zu vergleichen.
1.Emitterschaltung
geg:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Transistor BC170
messtechnisch ermittelte Kennlinien
Ptot = 300mW
Arbeitspunkt (AP) U’CE = 5V
UB = 10V (ohne RE)
I’C = 10mA
Uess = 30mV = ∆ Ue = 15mV
für ∆ Ue, f = 1kHz
RE für URE ≤ 1V
Schaltung
Dimensionierung der Schaltung für den gegebenen AP
a) PV-Hyperbel
b) R-Gerade
Berechnung zur Dimensionierung
RC =
U RC U B − U CE 10V − 5V
=
=
= 500Ω
IC
IC
10mA
R1 =
U R1 U B − U BE U B − U BE 10V − 0,7V
=
=
=
= 27193Ω = 27,2kΩ
I R1
I R2 + I B
6* IB
6 * 57 µA
R2 =
U BE
0,7V
=
= 2456Ω
5 * I B 5 * 57 µA
5
Messtechnische Ermittlung statischer Werte
•
Vergleich mit den rechnerisch sowie grafisch ermittelten Werte.
Messtabelle
1. UCE =
2. UBE =
3. IC =
4. IB =
Rechnerisch
5V
0,7 V
10 mA
57 µA
Grafisch
5V
0,66 V
10 mA
57 µA
Messtechnisch
5,27 V
0,69 V
9,44 mA
50 µA
Berechnung:
-
bei maximal symmetrische Aussteuerung ist U’RC gleich U’CE = 5V
U CE = U B − RC * I C = 10V − 500Ω * 10mA = 5V
U CE =
U BE = R2 * 5 * I B = 2456Ω * 5 * 57 µA = 0,699V
IB =
IC =
U B 10V
=
= 5V
2
2
UBE
0,699V
=
= 57 µA
5 * R2 5 * 2456Ω
U CE
5V
=
= 10mA
RC
500Ω
Messtechnische Ermittlung dynamischer Werte
• Vergleich mit den rechnerisch sowie grafisch ermittelten Werten (soweit möglich bzw.
sinnvoll).
• Anlegen von Uess = 30mV=Ueff = 21,21mV, f = 1kHz
Ersatzschaltung
6
grafisch ermittelte Werte:
∆I C = 0,6mA
rCE =
∆U CE = 2V
∆U CE
2V
=
= 3,33kΩ
∆I C
0,6mA
I B = 57 µA
rBE =
U T = 30mV
U T 30mV
=
= 526,32Ω = 526Ω
IB
57 µA
Berechnung über die Ersatzschaltung
rechnerisch ermittelte Werte:
RL = 3kΩ
re = R1 // R2 // rBE = 426,26Ω = 427Ω
ra = RC // RL // rCE = 379,7Ω = 380Ω
vu =
Ua I C * rCE // RC // RL 10mA * 379,7Ω
=
=
= 126,57 = 127
Ue
UT
30mV
vi =
ia I C * rCE // RC // RL * R1 // R2 // rBE 10mA * 379,7Ω * 426,62
=
=
= 17,99 = 18
ie
U T * RL
30mV * 3kΩ
v P = vu * vi = 126,57 * 18 = 2278
mit gemessenen Werte berechnet:
vu =
Ua 1,8V
=
= 120
Ue 15mV
vi =
ia 509µA
=
= 18,85
ie
27 µA
v P = vu * vi = 120 * 18,85 = 2262
∆Ue = ∆ie * rBE = 27 µA * 526,62Ω = 14,2mV = 14mV
∆Ua = ∆ia * R L = 509 µA * 3000Ω = 1,5V
∆ie =
re =
∆Ue
15mV
=
= 28,4 µA = 28µA
rBE
526,62Ω
RV
220Ω
=
= 1100Ω
∆U a
1,8V
−1
−1
1,5V
∆U
a Rv
∆ia =
∆Ua
1,8V
=
= 600 µA
RL
3000Ω
ra = Rl * (
∆U a
1,8V
− 1 ) = 3000Ω *
− 1 = 857Ω
∆U
1,4V
a Rl
7
Tabelle
rCe
rBe
∆ Ueeff
∆ Ua
vu
∆ ie
∆ ia
vi
vp
ra (bei RV =10Ω)
re (bei RL =3kΩ)
Grenzfr. fu
Grenzfr fo
Rechnerisch
3,33 kΩ
526 Ω
14 mV
1,5 V
126
28 µA
600 µA
18
2278
380 Ω
427 Ω
374 Hz

Grafisch
3,33 kΩ
526 Ω











Messtechnisch


15 mV
1,8 V
120
27 µA
509 µA
18,85
2262
857
1100
400 Hz
250 kHz
Anmerkung zu den Grenzfrequenzen
1. Die Frequenz, bei der die Stromverstärkung h21e auf 70,7 % (um –3 dB) ihres Wertes bei
niedrigen Frequenzen h21e (f = 0) abgefallen ist, wird als ß-Grenzfrequenz fß bezeichnet. In
unserem Fall als fU untere Grenzfrequenz bezeichnet.
2. Die Frequenz, bei der die Stromverstärkung h21e = 1 abgefallen ist, wird als f1- Frequenz
bezeichnet. In unserem Fall als fo obere Grenzfrequenz bezeichnet.
Formel zur Berechnung des Eingangskondensators C1
fu =
1
1
=
= 373,6 Hz = 374Hz
2 * Π * C * re 2 * Π *1µF * 426,6Ω
8
Transistor-Kennlinien
Steuerkennlinienfeld IC = f (IB)
Ausgangskennlinienfeld IC = f (UCE)
Eingangskennlinienfeld IB = f (UBE)
Eingangskennlinienfeld IB = f(UBE)
Es handelt sich dabei um eine Diodenkennlinie, der PN-Schicht zwischen Basis und Emitter. Sie
bestimmt bei welcher Basisvorspannung der Transistor leitend wird.
Ausgangskennlinienfeld IC = f (UCE)
Das Ausgangskennlinienfeld gibt den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom IC und KollektorEmitter-Spannung UBE bei verschiedenen Basisströmen an.
Jede Kennlinie gilt für einen bestimmten Basisstrom
Steuerkennlinienfeld IC = f (IB)
Aus der Darstellung IC = f (IB) kann die Stromverstärkung direkt aus der Steilheit der Kennlinie
abgelesen werden:
•
•
•
je steiler die Kennlinie, desto größer die Stromverstärkung B und ß
bei gekrümmten Kennlinien entstehen Verzerrungen im Ausgangssignal
bei gekrümmten Kennlinien ist die Verstärkung nicht konstant
9
Die Steuerkennlinie wird auch als Übertragungskennlinie bezeichnet.
•
Gleichstromverstärkung B
•
Wechselstromverstärkung ß
10