Analog Discovery – laboratorium pomiarowe na dłoni: badanie charakterystyk tranzystorów bipolarnych

Digilent Inc. oferuje doskonałe zestawy bardzo pomocne w nauce elektroniki, w pomiarach i testowaniu różnych układów elektronicznych. W artykule przedstawiamy współpracę przyrządów wchodzących w skład zestawu Analog Discovery, na przykładzie eksperymentu przeprowadzonego z użyciem elementów zestawu Analog Parts Kit.

Analog Discovery to zestaw wirtualnych przyrządów pomiarowych o doskonałych, jak dla urządzeń tej klasy parametrach i możliwościach. Ocena tego urządzenia wypada szczególnie korzystnie w odniesieniu do jego ceny.

Elektronika urządzenia Analog Discovery mieści się w obudowie o wymiarach 68×82×19 mm. W tak małej objętości zmieszczono bardzo atrakcyjne przyrządy stanowiące podstawowe wyposażenie stanowiska pomiarowego. W przyrządzie z oprogramowaniem w wersji 2.5.3.32bit są to:

  • 2-kanałowy oscyloskop z wejściami różnicowymi,
  • 2-kanałowy generator arbitralny,
  • zasilacz dostarczający napięcia +5 i –5 V,
  • generator przebiegów cyfrowych o konfigurowalnej liczbie linii wyjściowych (maksymalnie 16),
  • analizator stanów logicznych, także o konfigurowanej liczbie wejść,
  • rejestr statycznych wejść/wyjść cyfrowych,
  • analizator obwodów (Network Analyzer) służący na przykład do zdejmowania charakterystyk częstotliwościowych czwórników w zakresie do 10 MHz,
  • 2-kanałowy woltomierz cyfrowy DC, True RMS, AC RMS,
  • analizator widma sygnału doprowadzonego do wejść oscyloskopowych, mierzący w zakresie do 10 MHz. Jest to nowość wprowadzona w tej wersji oprogramowania.

W zestawie Analog Parts Kit znajdują się podzespoły elektroniczne, które mogą być wykorzystane do przeprowadzenia wielu ciekawych eksperymentów z elektrotechniki, teorii obwodów, elektroniki itp. Ważnym elementem jest uniwersalne pole montażowe, na którym w ciągu kilku minut, bez używania lutownicy można połączyć układ elektroniczny (fotografia 1).

 

Fot. 1. Układ eksperymentalny zmontowany z elementów zestawu Analog Parts Kit

Fot. 1. Układ eksperymentalny zmontowany z elementów zestawu Analog Parts Kit

 

Przykład praktyczny – wykreślanie charakterystyki wyjściowej IC=f(UCE) @IBE=const tranzystora bipolarnego

Charakterystyką wyjściową tranzystora bipolarnego (w naszym przypadku będzie to tranzystor NPN 2N3904L) nazywamy zależność prądu kolektora w funkcji napięcia UCE przy ustalonym prądzie bazy. W wyniku pomiarów uzyskamy de facto rodzinę charakterystyk, gdyż przyjmiemy 10 różnych wartości prądu bazy. Takie samo założenie jest przyjmowane w pomiarach wykonywanych przez producentów elementów półprzewodnikowych. Przykładową rodzinę charakterystyk, zaczerpniętą z noty katalogowej tranzystora 2N3904 (http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/kec/2N3904.pdf) przedstawiono na rysunku 2.

 

Rys. 2. Charakterystyki IC=f(UCE) @IBE=const tranzystora 2N3904 wg noty katalogowej producenta

Rys. 2. Charakterystyki IC=f(UCE) @IBE=const tranzystora 2N3904 wg noty katalogowej producenta

 

Przygotowanie przyrządu

Rodzinę charakterystyk IC=f(UCE) @IBE=const można w bardzo prosty sposób wyznaczyć dysponując zestawem Analog Discovery. Do pomiaru zostaną wykorzystane dwa kanały generatora arbitralnego oraz dwa kanały oscyloskopu. Schemat pomiarowy przedstawiono na rysunku 3. Tranzystor pracuje w konfiguracji ze wspólnym emiterem. Do jego bazy doprowadzamy przez rezystor RB napięcie generowane w 1 kanale generatora arbitralnego (W1). Będzie to przebieg schodkowy o 10 poziomach (rysunek 4). Każdemu schodkowi odpowiada inne natężenie prądu bazy, który można oszacować ze wzoru: IB=(UW1-UBE)/RB. Do pomiarów przyjęto oporność rezystora bazowego RB równą 1 kW i założono niezmienną wartość napięcia UBE. Na tej podstawie można obliczyć prądy bazy, dla poszczególnych wykresów rodziny (tabela 1). Przyjęcie stałego napięcia przewodzenia UBE jest oczywiście pewnym nadużyciem, ale dopuszczalnym w opisywanym eksperymencie. Popełniany przy obliczaniu prądu bazy błąd jest rzędu 3%. Tylko dla pierwszego schodka jest on równy aż ok. 51%, co wynika z faktu, że złącze baza-emitor tranzystora nie jest jeszcze w pełni otwarte. Po uwzględnieniu zmierzonego w układzie rzeczywistego napięcia UBE prąd bazy jest w tym przypadku, równy 8 mA.

 

Rys. 3. Układ do zdejmowania charakterystyk IC=f(UCE) @IBE=const z zastosowaniem zestawu Analog Discovery

Rys. 3. Układ do zdejmowania charakterystyk IC=f(UCE) @IBE=const z zastosowaniem zestawu Analog Discovery

 

Rys. 4. Charakterystyki IC=f(UCE) @IBE=const tranzystora 2N3904 wg noty katalogowej producenta

Rys. 4. Charakterystyki IC=f(UCE) @IBE=const tranzystora 2N3904 wg noty katalogowej producenta

 

Tab. 1. Oszacowanie prądów bazy będących parametrami charakterystyk IC=f(UCE) tranzystora

n U B I B
1 0 0
2 0,739 V 3,90 µA
3 0,985 V 28,5 µA
4 1,229 V 52,9 µA
5 1,474 V 77,4 µA
6 1,719 V 102 µA
7 1,964 V 126 µA
8 2,209 V 151 µA
9 2,454 V 175 µA
10 2,699 V 200 µA

 

O autorze

Jarosław Doliński

Jarosław Doliński jest absolwentem Wydziału Elektroniki na Politechnice Warszawskiej. Pracował w Przemysłowymi Instytucie Telekomunikacji oraz Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, gdzie zajmował się konstruowaniem urządzeń transmisji danych. Współpracował z Zakładem Urządzeń Teatralnych m.in. w zakresie konstrukcji interkomów teatralnych i urządzeń dla inspicjentów. Brał także udział w pracach projektowych rejestratorów urządzeń wiertniczych i elektroniki montowanej na żurawiach mobilnych.
Obecnie prowadzi firmę zajmująca się konstruowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych dla rehabilitacji i wspomagania treningu sportowego.
Jest autorem czterech książek poświęconych elektronice i mikrokontrolerom, współpracuje ponadto z miesięcznikami „Elektronika Praktyczna”, „Elektronik” oraz „Świat Radio”.