ALUNNO: Fratto Claudio CLASSE: IV B Informatico ESERCITAZIONE N : 4 LABORATORIO DI ELETTRONICA OGGETTO: RILIEVO DELLE CURVE CARATTERISTICHE DI USCITA DI UN TRANSISTOR BJT SCHEMA DATI: R = 100Ω 1
STRUMENTI UTILIZZATI COMPONENTI UTILIZZATI 1) 2 Alimentatori 1) 1 resistenza da 100Ω 2) 3 multimetri impostati: uno come 2) transistor BJT BC182 Voltmetro; uno come milliamperometro; uno come microamperometro 3) Box montaggio DATI RILEVATI CURVA CARATTERISTICA DI USCITA Ib = 10uA VCE[V] IC[mA] 0,00 0,00 1,00 3,93 2,00 3,991 3,00 4,032 4,00 4,08 5,00 4,14 6,00 4,18 7,00 4,22 8,00 4,26 9,00 4,3 10,00 4,34 Ib = 20uA VCE[V] IC[mA] 0,00 0,00 1,00 7,88 2,00 8,16 3,00 8,28 4,00 8,41 5,00 8,52 6,00 8,63 7,00 8,73 8,00 8,87 9,00 8,97 10,00 9,06 CURVA CARATTERISTICA MUTUA DI CORRENTE VCE = 5V IB[uA] 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 IC[mA] 0,00 0,4 0,782 1,17 1,578 1,973 2,394 2,789 3,221 3,624 4,06 2
GRAFICO CURVE CARATTERISTICHE DI USCITA DEL TRANSISTOR BJT RILEVATE SPERIMENTALMENTE Ic[mA] 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Vce[V] Curva di uscita con Ib=10uA Curva di uscita con Ib=20uA 3
GRAFICO CURVA CARATTERISTICA MUTUA DI CORRENTE DEL TRANSISTOR BJT RILEVATA SPERIMENTALMENTE 4,50 4,00 3,50 3,00 Ic[mA] 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 Ib[uA] Curva caratteristica mutua di corrente con Vce=5V 4
RELAZIONE L esperienza effettuata in laboratorio si è articolata in sette fasi: 1) la prima fase consisteva nell andare a montare il circuito attraverso il quale di potevano rilevare le curve caratteristiche di uscita e quella mutua di corrente del transistor utilizzato nel circuito stesso; 2) la seconda fase consisteva nell andare a rilevare i valori della corrente di collettore, per ognuna delle dieci prove, fornendo un valore di tensione Vce prefissato e con un valore di corrente di base costante, esattamente pari a 10uA; 3) la terza fase consisteva nel rilevare i valori della corrente di collettore, come nella prima fase, variando la corrente di base, tenendola ad un valore costante pari a 20uA; 4) la quarta fase consisteva nel rilevare i valori della corrente di collettore, facendo variare il valore della corrente di base, fornendo un valore di tensione Vce costante, esattamente pari a 5V; 5) la quinta fase consisteva nell andare a riportare le coppie di valori rilevati nella seconda e nella terza fase su di un grafico, congiungendo tutti i rispettivi punti ottenuti ricavando le due curve caratteristiche di uscita del transistor utilizzato; 6) la sesta fase consisteva nell andare a riportare le coppie di valori rilevati nella terza fase su di un grafico, congiungendo tutti i punti ottenuti per ottenere la caratteristica della curva mutua di corrente del transistor utilizzato; 7) la settima fase consisteva nell andare ad analizzare le curve ottenute nella quinta e nella sesta fase, dimostrando il funzionamento del transistor. CENNI TEORICI SUI TRANSISTOR: I transistor sono dei dispositivi a stato solido, costituiti cioè da materiali semiconduttori (silicio o germanio in particolare). Nel campo dell elettronica vengono utilizzati con la funzione o di amplificatori di segnale (sia di corrente che di tensione), quando si ha a che fare con circuiti analogici, o con la funzione di interruttore, quando si ha a che fare con circuiti digitali. Essi sono dei dispositivi di piccole dimensioni che possono essere rivestiti di diversi materiali ma che hanno tutti la stessa architettura interna. Ciascun transistor è composto, per quanto riguarda il punto di vista fisico, da tre porzioni di semiconduttori drogati che seguono un ordine ben preciso; i semiconduttori drogati possono essere disposti o nell ordine PNP o in quello PNP. Quest ordine fa si che si creino due giunzioni. Esistono diversi tipi di transistor, quelli più importanti sono: a) i transistor BJT, comunemente chiamati anche a comando di corrente; b) i transistor BFET, comunemente chiamati a comando di tensione. Il transistor BJT Il transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) è chiamato a giunzione bipolare poiché la conduzione coinvolge sia le cariche positive (lacune) sia le cariche negative (elettroni) aventi origine dalle giunzioni. Questo tipo di transistor, come tutti gli altri, è costituito da tre regioni adiacenti di semiconduttori drogati p e n, in maniera alternata. Questa alternanza dà origine a due diversi blocchi di giunzioni: quella NPN e quella PNP. Ciascuna regione rappresenta un terminale del transistor. Nella giunzione NPN, ad esempio, la prima zona P rappresenta l emettitore, la zona N rappresenta la base, e la seconda zona P rappresenta il collettore. 5
Ciascun terminale ha una sua precisa funzione: a) l emettitore fornisce le cariche; b) la base gestisce le cariche; c) il collettore riceve le cariche. Poiché i transistor possono essere costituiti da due diversi blocchi di giunzioni, esistono due diversi simboli che li rappresentano: I vari terminali differiscono sia per la dimensione sia per il drogaggio. Infatti l emettitore è molto drogato; la base è più grande dell emettitore ma è meno drogata; il collettore ho un drogaggio intermedio rispetto agli altri due terminali. La differenza nel drogaggio è dovuta alla quantità di lacune, per quanto riguarda le zone P, e di elettroni liberi, per quanto riguarda le zone N, che devono essere presenti affinché il maggior numero di cariche passi dall emettitore al collettore. Affinché ciascun terminale svolga la sua funzione, cioè affinché lo spostamento di cariche all interno delle blocco di giunzione avvenga, le giunzioni intermedie devono essere polarizzate in maniera opportuna. La giunzione emettitore - base (J1 nel disegno di pagina 5) deve essere polarizzata in maniera diretta mentre quella base - collettore (J2 nel disegno di pagina 5) deve essere polarizzata inversamente. Questa differenza scaturisce dal fatto che per si vuole far trasferire la maggior quantità di cariche possibili dall emettitore al collettore e, una volta arrivateci vi restino. Infatti per far si che le cariche attraversino la prima giunzione senza grosse perdite, la barriera di potenziale si deve ridurre al minimo; mentre affinché le cariche, una volta arrivate a destinazione non tornino indietro, la barriera di potenziale della seconda giunzione deve avere un ampiezza maggiore. Quando si hanno questo tipo di polarizzazione il transistor si trova nella sua zona attiva e può essere utilizzato come amplificatore di segnali; quando entrambe le giunzioni sono polarizzate in maniera diretta, il transistor si trova nella sua regione di saturazione e può essere utilizzato come lo stato ON di un interruttore elettronico; quando entrambe le giunzioni sono polarizzare in maniera inversa, il transistor si trova nella sua regione di interdizione e può essere utilizzato come lo stato OFF di un interruttore elettronico. Essendo i transistor dei quadripoli, quando vengono utilizzati nei circuiti, un terminale deve essere per forza comune al circuito di ingresso che a quello di uscita. Per questo motivo i transistor si possono presentare sotto tre diverse configurazioni: 1) la configurazione a base comune; 2) la configurazione ad emettitore comune; 3) la configurazione ad collettore comune. 6
La configurazione a base comune Nella configurazione a base comune la corrente di collettore è una funzione di quella di emettitore. L equazione fondamentale di questo tipo di transistor è: Ic = -αie + Icb0 dove: a) Icb0 rappresenta la corrente dovuta alle cariche minoritarie delle varie giunzioni; b) α rappresenta la quantità di cariche che passano dall emettitore al collettore. Esso è generalmente un valore compreso tra il 98 99 % In questa configurazione i parametri del circuito di ingresso sono la Ie e la Veb; mentre quelli del circuito di uscita sono la Ic e la Vcb. La configurazione a collettore comune Nella configurazione a collettore comune la corrente di emettitore è una funzione di quella di base. L equazione fondamentale di questo tipo di transistor è: Ie = -(β+1) Ib - (β+1) Icb0 dove: a) Icb0 rappresenta la corrente dovuta alle cariche minoritarie delle varie giunzioni; b) β è comunemente chiamata amplificazione per i grandi segnali ed equivale a In questa configurazione i parametri del circuito di ingresso sono la Ib e la Vbc; mentre quelli del circuito di uscita sono la Ie e la Vce. 7
La configurazione ad emettitore comune Nella configurazione ad emettitore comune la corrente di collettore è una funzione di quella di base. L equazione fondamentale di questo tipo di transistor è: Ic = βib + (β+1) Icb0 dove: a) Icb0 rappresenta la corrente dovuta alle cariche minoritarie delle varie giunzioni; b) β è comunemente chiamata amplificazione per i grandi segnali ed equivale a In questa configurazione i parametri del circuito di ingresso sono la Ib e la Vbe; mentre quelli del circuito di uscita sono la Ic e la Vce. La configurazione che viene usata maggiormente è quella ad emettitore comune, questo perché garantisce un miglior funzionamento, nella pratica, del transistor. Le caratteristiche del transistor a configurazione ad emettitore comune Essendo quattro i parametri del transistor sono necessari due assi cartesiani per rappresentare le caratteristiche del dispositivo stesso. Il primo serve per rappresentare la curva caratteristica d ingresso, mentre il secondo serve per rappresentare le curve caratteristiche di uscita. Per quanto riguarda il primo grafico i punti sono dati dalle coordinate che rappresentano i valori del generatore utilizzato per la polarizzazione della prima giunzione e quello della corrente di base circolante nella maglia di ingresso, tenendo costante il valore del generatore utilizzato per la polarizzazione della seconda giunzione. Se si varia questo valore si ottengono delle curve che si discostano di pochissimo le une dalle altre. Ed è proprio per questo motivo che si prende in considerazione soltanto una curva per la maglia di ingresso. La curva inizialmente coincide con l asse delle ascisse per poi, una volta raggiunta la tensione di soglia, diventare quasi verticale. Poiché si ha a che fare con un polarizzazione diretta la curva è in pratica quella di un diodo. 8
Per quanto riguarda il secondo grafico i punti sono dati dalle coordinate che rappresentano i valori del generatore utilizzato per la polarizzazione della seconda giunzione e quello della corrente di collettore circolante nella maglia di uscita, tenendo costante il valore della corrente di base circolante nella maglia di ingresso. Se si varia questo valore si ottengono diverse curve che si discostano le une dalle altre di parecchio. Ciascuna di queste curve ha sempre un andamento crescente. Inizialmente crescono rapidamente per poi crescere di pochissimo, quasi stabilizzandosi. 9
FASE 1: Per rilevare le curve caratteristiche di uscita e la caratteristica mutua di corrente di un transistor BJT, costituito da semiconduttori al silicio ( nella sigla del transistor utilizzato [BC182] la B rappresenta proprio il materiale di cui è costituito il transistor, silicio nel caso preso in considerazione), si è montato un circuito dotato di due generatori, caratterizzati da una resistenza interna trascurabile: il polo positivo del primo è stato collegato alla base del transistor, mentre il suo polo negativo è stato collegato all emettitore; il polo positivo del secondo generatore è stato collegato al collettore mentre il suo polo negativo è stato collegato all emettitore. Collegando in questo modo i due generatori si è polarizzata la prima giunzione in maniera diretta e la seconda in maniera inversa. In serie al primo generatore è stata inserita una resistenza R con lo scopo di limitare la quantità di corrente che può passare nel transistor onde evitarne uno di valore superiore a quello massimo e specifico previsto per ciascun componente che, in caso di un passaggio di corrente di grande entità, potrebbe rompersi. In fase di realizzazione del circuito si è inserito: 1) un multimetro(m1), impostato come microamperometro, immediatamente dopo ed in serie alla R, per rilevare il valore della corrente di base circolante nella maglia di ingresso del circuito preso in esame; 2) un multimetro(m2), impostato come milliamperometro, in serie al secondo generatore, per rilevare il valore della corrente di collettore circolante nella maglia di uscita del circuito montato; 3) un multimetro(m3), impostato come voltmetro, collegato in parallelo al collettore ed all emettitore, per rilevare il valore della tensione del secondo generatore. Finite le operazioni di collegamento si è passati alla rilevazione dei dati. FASE 2: Prima di effettuare le rilevazione è stato fornito un valore di tensione, attraverso il primo generatore, in maniera tale che la corrente di base circolante nella maglia di ingresso avesse un valore, letto attraverso M1, pari a 10 ua; valore che resta costante per tutte le rilevazioni della seconda fase. Sono state effettuate 10 rilevazioni del valore della corrente di collettore, leggendolo su M2, variando, attraverso il secondo generatore, il valore di Vce, letto attraverso M3. FASE 3: Anche in questa fase sono state effettuate 10 rilevazioni come nella seconda fase ma, prima di effettuarle, è stato fornito un valore di tensione, attraverso il primo generatore, in modo tale che la corrente di base circolante nella maglia di ingresso avesse un valore, letto attraverso M1, pari a 20 ua; valore che resta costante per tutte le rilevazioni di questa fase. FASE 4: Prima di effettuare le rilevazioni in questa fase è stato fissato a 5V il valore del secondo generatore, letto attraverso M3; valore che resta costante per tutte le rilevazioni di questa fase. Sono state effettuate 10 rilevazioni della corrente di collettore facendo variare, cambiando la tensione emessa dal primo generatore, la corrente di base. 10
FASE 5: Dopo aver rilevato i dati si è potuto passare alla trascrizione degli stessi in tre tabelle (vedi foglio2). Una volta terminata la compilazione delle tabelle si è stati in grado di rappresentare le coppie di valori delle prime due tabelle su di un grafico avente sull asse delle ascisse i valori di Vce, espressi in volt, e sull asse delle ordinate i valori della corrente di collettore, espressi in ma. Una volta posizionati tutti i punti (ognuno dei quali rappresentava i valori di ogni singola rilevazione) si è stati in grado di congiungerli (quelli delle rispettive tabelle) ricavandone due curve raffigurate nel foglio 3. FASE 6: In questa fase si è andati a riportare le coppie di valori della terza tabella su di un grafico avente sull asse delle ascisse i valori della corrente di base, espressi in ua, e sull asse delle ordinate i valori della corrente di collettore, espressi in ma. Una volta posizionati tutti i punti si è stati in grado di congiungerli ricavando la curva caratteristica mutua di corrente raffigurata nel foglio 4. FASE 7: Dopo aver rappresentato i valori delle rilevazioni su due grafici si è potuti passare alla loro analisi. ANALISI DELLE CURVE CARATTERISTICHE DI USCITA (con Ib = 10uA e con Ib = 20uA): a) la curva, per piccoli valori di Vce, cresce in maniera repentina dimostrando che la corrente di collettore assume subito del valori elevati; b) a partire del valore 1 di Vce la curva continua si a crescere ma tendendo quasi a stabilizzarsi; c) variando il valore costante della Ib si ottengono curve diverse che hanno si lo stesso andamento ma che si discostano di molto. Più è grande il valore di Ib, maggiore è il valore della corrente di collettore che si può avere. ANALISI DELLA CURVA CARATTERISTICA MUTUA DI CORRENTE (con Vec = 5V): La curva assume un andamento crescente costante (essa infatti è quasi una retta) dimostrando che il rapporto tra la corrente di base e la corrente di collettore è pressoché costante; Dall analisi effettuata si può affermare che il transistor utilizzato nell esperienza ha funzionato in maniera corretta. 11