В предишната си история ви разказах как с моите студенти си направихме характериографи в лабораторията и с тях изследвахме волт-амперните характеристики на различни двуполюсни елементи (резистори и диоди). Сега ще ви покажа как в следващите упражнения усъвършенствахме нашите характериографи, за да можем да изследваме триполюсни елементи (транзистори). Както вече казах, съществуват такива професионални уреди, както за изследване на диоди, така и на транзистори, но те са затворени и вътрешното им устройство е недостъпно за студентите. Ето защо, отново предпочетох те да си ги проектират и направят сами, за да ги разберат. Този подход използвам от 2015 г., когато трябваше да организирам и водя лабораторните упражнения по "Полупроводникови елементи" в катедра ИТИ. Освен това, съм превел тази история на английски език под заглавие Curve tracer for transistors.

Изследване на волт-амперни характеристики на триполюсни елементи

Транзисторите са полупроводникови елементи с три извода - база, емитер и колектор. За да снемем волт-амперните характеристики на тези триполюсници, ние ги разлагаме на два двуполюсника - входен (база-емитер) и изходен (колектор-емитер), и след това ги изследваме по познатия начин. Така получаваме съответно входната характеристика и изходната характеристика на транзистора. Този лабораторен експеримент е посветен на изследването на изходнате характеристики на транзисторите. Но нека първо видим какви свойства имат те...

Изходна характеристика

И така, зависимостта между колекторния ток Ic и напрежението колектор-емитер Vce на транзистора, представена графично, се нарича изходна характеристика на транзистора. Всъщност, това е една волт-амперна характеристика (ВАХ) като тази на резистора и диода, но тук тя може да се управлява от базовия ток Ib или напрежението база-емитер Vbe. Прието е напрежението да се нанася по X, а токът - по Y. Докато волт-амперната характеристика на един резистор представлява права линия, преминаваща през началото на координатната система, изходната характеристика на транзистора е силно нелинейна с ясно изразена хоризонтална част. Това означава, че изходната част на транзисторът се държи като токостабилизиращ двуполюсник (виж How does a transistor maintain a constant current?)

Снемане чрез "идеален" източник на напрежение...

Един от начините да снемем ВАХ на резистор със съпротивление R, беше да приложим напрежение V върху него и да отчитаме тока I, протичащ през него, съгласно закона на Ом, записан в правата си форма I = V/R. Този начин не беше подходящ за снемане на вертикалната част на ВАХ на диод и на изходната характеристика тук (синята характеристика), защото трудно се получават достатъчен брой точки, но тя не представлява интерес тук. В хоризонталната част на изходната характеристика на транзистора, която ни интересува, няма този проблем.

ВАХ I = f(V) на резистор R и транзистор T, получени чрез вариращ "идеален" източник на напрежение....

... чрез "идеален" източник на ток...

Обратно, с помощта на един "идеален" източник на ток, можеше да пропускаме ток I през резистор със съпротивление R и да отчитаме напрежението V, което възниква върху него, съгласно закона на Ом, записан в обратната си форма V = I.R. Този начин беше подходящ за снемане на вертикалната част на ВАХ на диод, защото лесно се получаваха достатъчен брой точки, но сега не ни позволява получаването на достатъчен брой точки в хоризонталната част на изходната характеристика на транзистора.

ВАХ V = f(I) на резистор R и транзистор T, снети чрез вариращ "идеален" източник на ток....

... чрез реален източник на напрежение

По-горе стигнахме до извода, че с помощта на един "идеален" източник на напрежение (с вертикална ВАХ) можем удобно да снемаме хоризонталната част на изходната характеристика на транзистора, а с "идеален" източник на ток (с хоризонтална ВАХ) - вертикалната й част.

Но, както и преди, за да снемем цялата изходна характеристика на изследвания транзистор, можем просто да използваме реален източник на напрежение (с наклонена ВАХ):

ВАХ на резистор R и транзистор T, получени чрез вариращ реален източник на напрежение.

Построяваме устройството върху черната дъска

Тук се налага да решим една допълнителна задача. Понеже транзисторът е един вид "управляван двуполюсник", към характериографа за изследване на двуполюсници трябва да добавим схема за управление на транзистора. Ето един възможен сценарий за построяване на новата схема:

"Изобретяваме" входната част

1. Сглобяваме регулируем източник на напрежение посредством константен източник на напрежение (AC-DC преобразувател) и потенциометър P.

Регулируем източник на напрежение, изграден чрез константен източник на напрежение и потенциометър P.

Като източник на напрежение (AC-DC преобразувател) използваме отново добре познатия ни адаптор 12V/1A.

Константен източник на напрежение (адаптор 12V/1A).

Като регулатор на напрежението използваме любимия линеен потенциометър със съпротивление 1 к, като не забравяме да усучем изводите му на 90 градуса, за да контактува надеждно в гнездата.

Използваме добре познатия ни линеен потенциометър със съпротивление 1 к.

2. Превръщаме регулируемия източник на напрежение в регулируем източник на ток като добавяме последователно резистор Rb със съпротивление 10 k и даваме "накъсо" изхода чрез милиамперметър.

Регулируем източник на ток, направен чрез добавяне на базов резистор

Амперметърът, с който ще измерваме базовия ток, е отново цифров мултицет DT830B

3. Разкъсваме веригата и включваме прехода база-емитер BEJ във веригата. С това входната част на схемата, с помощта на която ще регулираме положението на изходната характеристика, е готова. Сега трябва да сглобим изходната част от предишния лабораторен експеримент.

"Изобретяваме" изходната част

1. Електрическа схема. Тя е почти същата като тази на по-простия характериограф за изследване на диоди от миналия път. Прибавен е само диода D, който пропуска само положителните полувълни към n-p-n транзистора T.

Дясната част на новата схема повтаря схемата на простия характериограф от миналия път.

Променлив източник на напрежение (понижаващ трансформатор за 17V).

Прилагаме същата хитрина, като избираме съпротивленето на резистора R със стойност 1 kom. Така, стойността на напрежението Vy [V] директно отговаря на стойността на тока Ic [mA].

2. Развързваме управляващата верига. На пръв поглед, резисторът R изпълнява ролята на емитерен резистор и схемата наподобява един емитерен повторител с последователна отрицателна обратна връзка, която изважда изходно напрежение от входното. Но това тук е нежелано, защото ние искаме входното напрежение да се приложи директно към прехода база-емитер. Ето защо, входната част, която разработихме по-горе, трябва да бъде захранена с "плаващ" трансформатор (както всъщност е). В резултат на това, базовият ток не протича през резистора R.