Univerzitet u NišuElektronski fakultet

PREDMETILaboratorijski praktikum –

Elektronske komponentei

Elektronske komponente

Strujno-naponske karakteristike bipolarnog tranzistora

Miloš MarjanovićDanijel Danković

Zoran Prijić

Maj 2020. godine

1

1. Zadatak

Simulirati strujno-naponske karakteristike NPN bipolarnog tranzistora 2N3904 u kolu na slici 1 korišćenjem programa LTspice XVII. Korišćenjem kursora odrediti strujno pojačanje datog tranzistora.

Slika 1. Električna šema kola.

Otvoriti novi šematik i dodati komponente. Iz biblioteke komponenata izabrati NPN bipolarni tranzistor (slika 2), kao i otpornik (res), naponski (voltage) i strujni (current) izvor; kao i masu (Ground). Korišćenjem žice (Wire) povezati komponente kao na slici 1. Dodeliti komponentama inicijalne vrednosti (RC= 180 Ω, IB= 10 µA, VCC= 10 V). Da bi izabrali odgovarajući SPICE model NPN bipolarnog tranzistora kliknuti desni klik na simbol tranzistora, otvara se dijalog prozor Bipolar Transistor – Q1, kliknuti na dugme Pick New Transistor. Otvara se prozor Select Bipolar Transistor kao na slici 3. U ovom zadatku koristi se NPN bipolarni tranzistor 2N3904, izabrati željeni tranzistor iz liste i kliknuti OK. Čvor kolektora bipolarnog tranzistora označiti labelom VCE, tipa Output.

Strujno – naponska karakteristika bipolarnog tranzistora predstavlja zavisnost struje kolektora (IC) u funkciji napona (VCE) za različite vrednosti struje baze (IB). Za simulaciju ove karakteristike koristiti naredbu .STEP, koja će u zadatim koracima menjati struju baze. Kliknuti na .op i uneti .STEP IB 0U 50U 10U (slika 4). Na ovaj način definisano je da će se vrednost strujnog generatora IB menjati od 0 µA do 50 µA sa korakom 10 µA.

Klikom na ikonicu trkača (Run) pokrenuti simulaciju, otvara se prozor za definisanje simulacije. Da bi na x-osi bio prikazan napon, tj. da bi bila izvršena DC analiza, izabrati tab DC sweep. Podesiti parametre kao što je dato na slici 5. Na ovaj način definisano je da će se vrednost

2

naponskog generatora VCC linearno menjati od 0 V do 10 V sa korakom 0.1 V. Nakon unošenja vrednosti, kliknuti OK i simulacija će se pokrenuti.

Slika 2. Izbor simbola NPN bipolarnog tranzistora.

Slika 3. Izbor SPICE modela NPN bipolarnog tranzistora.

3

Slika 4. Podešavanje .STEP naredbe.

Slika 5. Podešavanje .DC naredbe.

S obzirom da je naredbom .DC simulirana promena napona VCC u zadatom opsegu, na x-osi je inicijalno dat taj napon. Potrebno je promeniti x-osu, tako da na njoj bude prikazan napon VCE. Desnim klikom na brojeve na x-osi otvara se prozor kao na slici 6. U polje Quantity Plotted treba uneti V(VCE), s obzirom da je napon na kolektoru označen labelom VCE. Napomenimo, na x-osi je potrebno prikazati napon VCE, kolektor bipolarnog tranzistora označen je labelom VCE, a emitor je na masi (0 V), pa je napon VCE=V(VCE)-0=V(VCE), gde je V(VCE) napon u čvoru označenom labelom VCE (napon kolektora).

4

Slika 6. Promena parametra koji se prikazuje na x-osi

Za prikaz struje kolektora, pozicionirati kursor miša na kolektorski izvod bipolarnog tranzistora (slika 7) i kliknuti levi klik. Alternativno, pozicionirati kursor na sredini simbola otpornika (kursor se menja u crvenu strelicu) i kliknuti levi klik. Na grafiku će na y-osi prikazati struja kolektora Ic(Q1). Dobija se zavisnost kao na slici 8. Da bi prikaz bio od 0 mA, desni klik na brojeve na y-osi otvara prozor kao na slici 9, gde za Bottom vrednost treba postaviti 0 mA, umesto -2 mA. Na slici 10 prikazane su strujno-naponske karakteristike NPN bipolarnog tranzistora 2N3904 i obeležene oblasti rada. Bipolarni tranzistor ima tri oblasti rada: kada ne provodi struju (zakočenje), kada sa porastom napona VCE, raste struja kolektora IC (zasićenje) i kada je struja kolektora približno konstantna pri promeni napona VCE (normalna aktivna oblast - NAO). Ako se bipolarni tranzistor koristi kao prekidač treba ga izborom otpornika u kolu polarisati da radi u obasti zakočenja – otvoreni prekidač, odnosno zasićenja – zatvoreni prekidač. Za rad u kolima pojačavača, bipolarni tranzistor treba da bude polarisan da radi u NAO.

Slika 7. Izgled kursora za prikaz struje kolektora.

Slika 8. Simulirana strujno-naponska karakteristika bipolarnog tranzistora.

5

Slika 9. Podešavanje y-ose.

Slika 10. Simulirana strujno-naponska karakteristika bipolarnog tranzistora 2N3904 sa označenim oblastima rada.

Može se zaključiti da što je veća struja baze, biće veća i struja kolektora. Na osnovu strujno – naponskih karakteristika moguće je odrediti pojačanje. Korišćenjem kursora očitati dve vrednosti kolektorske struje u normalnoj aktivnoj oblasti (pri konstantom naponu, npr. VCE=4 V) za struje baze 10 µA i 30 µA. Kursor se aktivira desnim klikom na oznaku struje Ic(Q1). Iz padajućeg menija opcije Attached Cursor izabrati 1st & 2nd. Pozicionirati oba kursora na 4V, a zatim korišćenjem strelice na gore (↑) na tastaturi postaviti kursor 1 da pokazuje struju kolektora za struju baze 10 µA, tj. kursor 2 da pokazuje struju kolektora kada je struja baze 30 µA (slika 11). Očitane struje su: za IB1= 10 µA, IC1= 3.07 mA, za IB3= 30 µA, IC3= 9.09 mA, pa će strujno pojačanje tranzistora biti:

6

β=∆ I C

∆ I B=

I C 3−I C 1

I B 3−I B 1= 6.02 mA

20 μA=301.

Slika 11. Određivanje pojačanja bipolarnog tranzistora pomoću kursora.

7

2. Zadatak

Simulirati strujno-naponske karakteristike NPN bipolarnog tranzistora 2N2222 u kolu na slici 12 korišćenjem programa LTspice XVII. Korišćenjem kursora odrediti strujno pojačanje datog tranzistora.

Slika 12. Električna šema kola.

Otvoriti novi šematik i nacrtati električnu šemu sa slike 12. Nakon ubacivanja simbola NPN tranzistora izabrati iz spiska modela tranzistor 2N2222 (desni klik na simbol tranzistora, klik na dugme Pick New Transstor). Inicijalno podesiti generatore jednosmernog napona VBB na 5 V i generator VCC na 10 V. U kolu su upotrebljeni otpornici RB=100 kΩ, koji će odrediti vrednost struje baze i RC= 180 Ω. Postaviti labelu VCE. Klikom na .op zadati naredbu za stepovanje napona generatora VBB: .STEP VBB 0 5 1. Ovom naredbom menjaće se vrednost ovog generatora od 0 V do 5V sa korakom 1V. Klikom na „trkača“ pokrenuti simulaciju i u kartici DC sweep podesiti da se menja vrednost generatora VCC (Name of 1st source to sweep), za Type of sweep izabrati Linear, startna vrednost (Start value) treba da bude 0 V, krajnja vrednost (Stop value) je 10 V, dok je vrednost uvećanja (Increment) 0.1 V. Na ovaj način vrednost generatora VCC će se linearno menjati od 0 V do 10 V sa korakom 0.1 V.

Nakon pokretanja simulacije, desnim klikom na brojeve na x-osi promeniti napon koji će se prikazivati na ovoj osi, tako što će u okviru opcije Quantity Plotted biti podešeno V(VCE). Iz menija Plot Settings izabrati Add Plot Pane, da bi se otvorio još jedan prozor za prikaz rezultata simulacije. U jedan od prozora prikazati struju kolektora, a u drugi struju baze, postavljanjem kursora na čvor odgovarajućeg izvora, kao što je prikazano na slici 7. Rezultati simulacije strujno-naponske karakteristike bipolarnog tranzistora 2N2222 prikazani su na slici 13.

8

Slika 13. Strujno-naponska karakteristika bipolarnog tranzistora 2N2222.

Kada se na ovaj način simulira strujno-naponska karakteristika bipolarnog tranzistora, što je realna električna šema za snimanje ovih karakterisika, potrebno je prikazati i zavisnost struje baze od napona VCE, radi određivanja pojačanja. U praksi, menjala bi se vrednost generatora VBB i merio napon na otporniku RB (VRB), pa bi struja baze bila određena kao IB=VRB/RB, što simulacijom nije moguće. Inače, kolo sa slike 12 može se opisati jednačinama:

V BB=RB I B+V BE

V CC=RC I C+V CE

gde je VBE napon između baze i emitora i njegova vrednost je idealno 0.7 V, s obzirom da je spoj baza-emitor, pn spoj.

Pojačanje se može odrediti očitavanjem odgovarajućih struja baze i kolektora pri određenom naponu VCE, u normalnoj aktivnoj oblasti rada. Na grafiku sa slike 13 zelena karakteristika je za VBB = 0 V, plava za VBB = 1 V, crvena za VBB= 2 V, itd. Na primer, pri naponu VCE = 4 V, korišćenjem kursora očitati struju baze kada je VBB2 = 2 V, IB2 = 13.2 µA, i odgovarajuću struju kolektora pri istim uslovima IC2 = 2.7 mA. Zatim očitati struju baze za VBB4 = 4 V, pri VCE = 4 V, dobija se IB4 = 39.4 µA, kao i odgovarajuću struju kolektora IC4 = 6.66 mA, pa će pojačanje biti:

β=∆ I C

∆ I B=

I C 4−I C 2

I B 4−I B2=3.96 mA

26.2 μA=151.

9