PROVA 2
RILIEVO DELLA CARATTERISTICA DI
USCITA DI UN BJT
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Introduzione
Questa esercitazione ha lo scopo di illustrare l’uso di multimetro e oscilloscopio digitale per
eseguire la misura dei parametri fondamentali di un componente ben definito, cioè di un transistore
bipolare di uso generale. L’esercitazione mostra in dettaglio le procedure da seguire per conseguire
l’obiettivo con un certo rigore sperimentale, e presuppone che l’allievo abbia già una conoscenza
generale della strumentazione.
La guida comprende molte parti di commento, da leggere ed assimilare sia prima che dopo
l’esecuzione materiale della prova. Durante l’esercitazione vera e propria, invece, si dovrà badare
alle sole istruzioni operative riportate in grassetto, compilando il "foglio risultati" (all'ultima pagina
della dispensa). Oltre a riportare i valori delle misure eseguite, si richiede di calcolare l'incertezza,
così come desumibile dalle caratteristiche degli strumenti riportate nella penultima pagina della
dispensa. Per l'esecuzione di tutte le misure previste è disponibile un tempo ben definito, allo
scadere del quale il foglio risultati viene ritirato: è consigliabile quindi eseguire le operazioni
richieste nel modo il più possibile ordinato e spedito, rimandando alla fine della prova l'esecuzione
di operazioni facoltative o di verifiche non indispensabili.
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1
Rilievo della caratteristica di uscita a emettitore comune di un BJT
schema elettrico del circuito di misura
basetta sperimentale - schema pratico del circuito
E
B
C
Transistor BC107 e relativa piedinatura (vista da sotto
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2
1) Classificazione di oscilloscopio, multimetro e generatore di funzioni
dal punto di vista dei terminali di massa
Per eseguire questa operazione occorre verificare (i) se esistono terminali di massa fisicamente
distinti per i vari ingressi e uscite, (ii) se essi sono collegati elettricamente tra loro (se quindi
costituiscono un'unica "massa" vera e propria), e (iii) se sono collegati elettricamente con
l'impianto di terra. A questo scopo si può utilizzare il multimetro come rivelatore di continuità.
Per verificare l'eventuale collegamento con l'impianto di terra, sul banco è disponibile uno
spinotto collegato appunto con l'impianto di terra mediante un filo di colore giallo-verde.
•
Per usare il multimetro come rivelatore di continuità, impostatelo per misure di
resistenza e premete il tasto
Select
facendo comparire sul display l’indicazione
·))) (avviso acustico di continuità).
Con questa impostazione il multimetro fornisce un’indicazione acustica dell’esistenza, tra i
puntali, di una resistenza inferiore a 100 Ω ± 50 Ω. Questo è utile per verificare velocemente
l’effettivo cortocircuito o isolamento di due punti di un circuito.
•
Eseguite le misure necessarie sugli strumenti (che devono essere spenti) e
annotate sul foglio risultati la tipologia (differential, grounded single-ended,
floating single-ended).
La continuità tra terminali di massa distinti dello stesso strumento si verifica come illustrato
nella figura a sinistra. La prova illustrata nella figura a destra (continuità tra terminali di massa
di strumenti differenti) non è necessaria, ma può servire come verifica delle conclusioni già
tratte dalle precedenti misure. Si può avere continuità tra masse di strumenti diversi solo se
entrambi sono grounded.
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3
•
Sulla base della classificazione fatta, stabilite se è necessario o meno usare il
trasformatore nella prova, e annotate la scelta sul foglio risultati.
2) Misura della resistenza R1 e determinazione dell'incertezza
La resistenza R1 va misurata con cura perché il suo valore è utilizzato per risalire alla corrente
di collettore I C (l'oscilloscopio misurerà la tensione ai suoi capi). I valori degli altri componenti
del circuito non sono invece critici per le misure che si intendono eseguire, ed è quindi
sufficiente conoscere i loro valori nominali indicati nello schema elettrico. La misura di R1
andrà fornita con la sua incertezza, che dovrà essere determinata impiegando le specifiche dello
strumento.
•
Esaminate la basetta e identificate su di essa i terminali di prova (IN1, IN2, TP1,
TP2, TP3, TP4 TP5), servendovi degli schemi teorico e pratico forniti.
Facoltativamente, potete verificare che:
1) esiste continuità tra i terminali relativi al primario del trasformatore (IN1, IN2);
2) esiste continuità tra i terminali relativi al secondario del trasformatore (TP1, TP3);
3) non esiste continuità tra i terminali del primario (IN1, IN2) e quelli del secondario (TP1,
TP3).
Questa prova verifica la funzionalità del trasformatore,
e l’esistenza di un completo
disaccoppiamento tra primario e secondario. Si noti che esistono anche trasformatori in cui
primario e secondario presentano un terminale in comune.
•
Premete
Select
tre
volte
sul
multimetro, in modo che esso funzioni
semplicemente da ohmmetro. Misurate la resistenza R1 (tra i terminali TP1 e
TP2), assicurandovi che le cifre siano stabili. Annotate sul foglio risultati il
valore R1 fornito dal multimetro e la portata RFS su cui è eseguita la misura
(completi di unità di misura).
La portata è leggibile, durante l'esecuzione della misura, in alto a destra sul display del
multimetro.
Quando una misura non ha un mero valore indicativo è buona norma prendere nota della portata
utilizzata e in generale di tutte le impostazioni che influiscono sull’incertezza di misura. Si
dovrebbe cercare, inoltre, di ottenere una lettura stabile, il che in questo caso si ottiene
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4
semplicemente curando il buon collegamento dei puntali con i terminali (ad esempio esercitando
una certa pressione). In altre misure col multimetro (per esempio nel caso di tensioni continue di
pochi millivolt) la lettura può risultare “intrinsecamente” instabile a causa del rumore. In questo
caso – e solo in questo – è consigliabile aumentarne la stabilità mediante la pressione del tasto
Average
•
, che fa sì che sul display venga visualizzata la media delle ultime otto misure.
Calcolate e trascrivete sul foglio risultati l'incertezza, utilizzando la formula
desumibile dalle specifiche (già riportata sul foglio).
La formula dell'incertezza è già riportata per fornire un esempio di come le altre formule dello
stesso tipo vanno successivamente annotate sul foglio risultati. Essa è comunque desumibile
dalla apposita sezione del manuale dello strumento, riportata alla fine di questa dispensa.
2b) (Facoltativo) - Verifica dell'integrità del transistor
Questa parte è facoltativa e non essenziale per il seguito della prova: si consiglia comunque di
eseguirla al termine dell'esercitazione. In questa parte il multimetro viene impiegato come
prova-diodi.
•
Impostare il multimetro come prova-diodi (selettore sulla posizione
Con il selettore nella posizione
puntale positivo (boccola “V·Ω·
).
il multimetro tenta di far scorrere attraverso il carico, dal
”) al puntale negativo (boccola “Com”), una corrente di
valore massimo pari a 0.8 mA. Sul display viene visualizzata, con fondo scala di 4.9999 V, la
tensione che si stabilisce ai capi del componente. Quando ai puntali è collegato un normale
diodo al silicio l’indicazione è quindi “OL” (misura oltre il fondo scala, o Over-Load) se la
corrente fluisce nella direzione N-P (diodo polarizzato inversamente), ed è pari alla tensione di
soglia (circa 0.7 V) se la corrente fluisce nella direzione P-N (diodo polarizzato direttamente).
Questa funzione del multimetro può essere utilizzata per verificare l’integrità dei transistor
(dimostrata dall’integrità delle due giunzioni B-C e B-E), il tipo (NPN o PNP), nonché per
rilevare dati come la VBE di saturazione, ecc.
•
Collegate i puntali a ciascuna coppia di terminali del transistor, provando
entrambe le polarità. Annotate i valori VBC, VCB, VBE, VEB visualizzati sul display,
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5
(indicando con VBC il risultato ottenuto collegando il puntale positivo alla base
(B) e quello negativo al collettore (C), ecc.).
Queste misure hanno un carattere indicativo e sono il tipico test per verificare il funzionamento
di un transistor stabilendone il tipo (NON o PNP). Trattandosi di un NPN, le tensioni misurate
devono essere pari a circa 0.7 V per le giunzioni BE e BC, mentre si deve avere Over-Load in
tutti gli altri casi.
Se richieste, si potrebbero anche ottenere misure precise delle tensioni VBE e VBC; ciò comunque
richiederebbe un certo tempo, poiché di fatto la caduta di tensione con polarizzazione diretta
tende ad aumentare, per parecchi minuti, di pochi millivolt. Naturalmente in questo caso sarebbe
opportuno anche annotare la portata dello strumento durante le misure. Si deve anche tenere
presente che la VBE e la VCE che si stabiliscono in un assegnato punto di lavoro sono sempre
significativamente diverse da quelle che si possono rilevano in questa semplice prova.
3) Preparazione degli strumenti e visualizzazione della caratteristica del
BJT
•
Accendete l’oscilloscopio e richiamate le impostazioni di default (
Setup
,
Defautl
Setup
<F6>
)
Collegate una sonda compensata 10X al canale 1 ed eseguite la calibrazione,
impostando correttamente la costante probe. Ripetete l’operazione con la
seconda sonda compensata 10X collegata al canale 2.
In questa prova impiegheremo solo sonde compensate 10X, anche se ciò significa aumentare
l'effetto del rumore interno dello strumento sulle misure effettuate.
•
Accendete il generatore di funzioni, che dovrebbe essere già impostato per
generare un segnale sinusoidale simmetrico di ampiezza pari a circa 10 V piccopicco. Ruotando l'apposita manopola regolate la frequenza al valore di circa 1
kHz. Collegate all'uscita del generatore il BNC con coccodrilli, e verificate con
l'oscilloscopio la correttezza del segnale ottenuto.
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6
Le modalità di regolazione della forma d'onda, dell'ampiezza e di altri parametri del segnale
generato dipendono dal particolare generatore impiegato. In caso di difficoltà ad ottenere il
segnale sinusoidale desiderato, chiedete l'assistenza degli esercitatori.
•
Collegate il cavetto proveniente dal generatore di funzioni al primario o al
secondario del trasformatore sulla basetta, a seconda di quanto stabilito
durante la fase 1 della prova.
Il trasformatore produce una notevole distorsione del segnale che, anche se non ha un effetto
diretto sulla visualizzazione della caratteristica, può sempre essere fonte di problemi. Esso
quindi va inserito solo se necessario.
•
Inserite il transistor nell'apposito alloggiamento sulla basetta, rispettando la
corrispondenza dei terminali di collettore, base ed emettitore.
Per collegare correttamente il BJT fate riferimento allo schema pratico riportato alle ultime
pagine della dispensa.
•
Impostate il multimetro come amperometro sulla portata 500 mA fondo scala,
ruotando opportunamente il selettore centrale e collegando il puntale rosso
all'apposita boccola (contrassegnata mA - µA).
Nota importante: dopo aver eseguito questa operazione non provate a collegare
l'amperometro
direttamente
alla
batteria
per
"misurare
la
corrente"!
Ciò
provocherebbe la rottura del fusibile.
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7
Gli strumenti e le portate amperometriche sono, in generale, assai più delicate di quelle
voltmetriche e includono di solito fusibili di protezione. Si noti anche che per aprire l'otturatore
della boccola mA-µA occorre prima posizionare il selettore su una portata adatta (ciò serve per
l'appunto a proteggere i circuiti amperometrici).
•
Collegate alla basetta la batteria e, servendovi dei cavetti con coccodrilli,
collegate il multimetro ai due terminali appositi sulla basetta (TP4, TP5).
Diminuite gradualmente la portata (da 500 mA a 50, 5 ecc.) fino a ottenere una
lettura il più possibile a fondo scala.
Se le operazioni sono svolte correttamente, il multimetro indica alla fine un corrente di qualche
decina di microampere.
In una misura, quando (come in questo caso) non è disponibile la funzione di auto-range, è
buona norma iniziare dalla portata più alta e aumentare gradualmente la sensibilità fino a
ottenere una misura il più possibile a fondo scala. Tale prescrizione è particolarmente
importante nel caso delle misure di corrente, perché come si è detto una corrente troppo
superiore al fondo scala causa la rottura del fusibile e nei casi peggiori perfino dello strumento.
La comune batteria da 9 V impiegata in questa esperienza è in grado di fornire (anche se solo
per alcuni secondi) all’incirca 2.5 A, e quindi è perfettamente in grado di rompere il fusibile del
multimetro su tutte le portate, tranne quella di 10 A fondo scala.
•
Usando i potenziometri R3 ed R4, regolate la corrente a un valore pari a 30 – 50
µA.
In seguito la corrente dovrà essere regolata in modo più preciso.
•
Utilizzando le sonde compensate, portate all’ingresso 1 (asse X) la tensione VEC
(tra TP3 e TP2) e all’ingresso 2 (asse Y) la tensione VR ai capi di R1 (disponibile
tra TP1 e TP2). Tenete presente che in questa misura il collettore del transistor
(cioè TP2) deve essere “massa”, cioè deve essere collegato ai coccodrilli delle
sonde.
Si noti che a TP2 è sufficiente collegare uno solo dei due coccodrilli neri delle sonde
compensate, poiché questi ultimi sono equipotenziali.
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8
•
Premete
Autoscale
, quindi
Main
Delayed
e
XY
<F3>
.
In questo modo le due tracce dell’oscilloscopio sono visualizzate in modo XY.
Questa
modalità, in linea generale, permette di verificare agevolmente il corretto funzionamento di un
circuito e di fare misure di massima, ma non è la più adatta per sfruttare tutte le possibilità dello
strumento. La figura sullo schermo è la caratteristica del BJT con l’asse X (VCE) ribaltato,
poiché la tensione all’ingresso 1 è in realtà la VEC, non la VCE. E’ possibile orientare
correttamente l’asse X cambiando (a livello digitale) il segno della traccia 1.
•
Premete il tasto
1
e quindi
Invert
Off On
<F4>
(selezionando l’opzione “on”).
In questo modo l'asse orizzontale corrisponde effettivamente a VCE , e non a VEC = −VCE .
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Volts/div
•
Regolate la posizione verticale
Position
e sensibilità
dei due canali in modo
tale da visualizzare con il miglior dettaglio possibile la zona della caratteristica
di nostro interesse (VCE > 0). Provate a ruotare i potenziometri in modo da
variare la corrente di base e osservare la corrispondente variazione della
corrente di collettore.
In questo modo viene si può osservare chiaramente la caratteristica statica del BJT. Nelle figure
riportata l’asse X è la VCE, con scala pari a 500 mV/div, e l’asse Y è la IC, con scala pari a circa
200 mV/100 Ω/div = 2 mA/div (la scala esatta dipende dall’effettivo valore di R1). La curva
appare sdoppiata a causa delle capacità parassite del transistor, che in questo momento è
stimolato da un segnale a frequenza troppo alta in rapporto all’ampiezza (le capacità parassite, a
questa frequenza, non avrebbero alcun effetto con un segnale piccolo). La frequenza del
segnale va opportunamente diminuita per eliminare questo effetto.
•
Agendo sulla manopola del generatore di funzioni, diminuite la frequenza del
segnale fino a osservare una caratteristica senza "sdoppiamento" visibile.
Dopo aver eseguito questa operazione si nota che, comunque, la traccia è piuttosto rumorosa e,
al contrario di quelle ottenibili in modo normale, non è suscettibile di essere migliorata con
operazioni di media. Inoltre in modo XY non sono possibili misure automatiche.
Nelle fasi successive della prova si misureranno parametri come il guadagno di corrente in
continua ( hFE = I C / I B ) e differenziale ( βˆ = ∆I C / ∆I B ) in un fissato punto di lavoro (situato a
0
VCE = VCE
= 1.000 V). Per questo motivo è opportuno, prima di passare alla fase successiva,
impostare la posizione del cursore verticale che servirà in tutte le misure nel seguito della prova.
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10
•
Attivate i cursori premendo
Cursors
, quindi posizionate i cursori X nel modo
seguente:
X1(1) = 0.000 V
X2(1) = 1.000 V
•
(
Regolate la manopola
X2
<F5>
,
Position
)
del canale 1 in modo da collocare l’intervallo tra i
Volts/div
due cursori X1(1) e X2(1) al centro dello schermo, ed il guadagno
sullo
stesso canale in modo da espandere il più possibile l’intervallo.
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0
Poiché si vuol conoscere l'incertezza con cui si è individuata la tensione VCE
, è ora necessario
prendere nota delle impostazioni dell'asse X.
•
0
Segnate sul foglio risultati il valore del cursore X2(1) (tensione VCE
), nonché i
valori di portata VFS e di posizione VP impostati per l'asse orizzontale (la portata
è pari al guadagno verticale scelto, moltiplicato per il numero di divisioni).
E' ora possibile calcolare l'incertezza.
•
In base al modello di oscilloscopio utilizzato, scegliete la formula appropriata tra
le due già trascritte sul foglio risultati (cancellate la formula non utilizzata)
Calcolate e trascrivete sul foglio risultati l'incertezza.
Anche in questo caso le formule dell'incertezza sono già riportate a titolo di esempio. Occorre
solo scegliere tra due possibilità a seconda che si stia utilizzando l'oscilloscopio 54600B (più
preciso) o 54603B (meno preciso). Le formule si trovano nell'apposita sezione del manuale
dello strumento, riportata alla fine di questa dispensa.
Con quest'ultima operazione le operazioni preliminari sono terminate e si può passare al rilievo
dei parametri di interesse del BJT.
4) Misura di hFE per corrente di base pari a 20 µA
•
Servendovi dei potenziometri, regolate la corrente di base al valore IB' = 20 ± 0.1
µA.
La visualizzazione del multimetro potrebbe presentare variazioni di pochi centesimi di
microampere attorno a un valore medio. Ciò è dovuto in massima parte all’interferenza con le
correnti che fluiscono nel resto del circuito, e anche con campi elettromagnetici esterni. I
fenomeni di interferenza sono in realtà sempre presenti in un circuito elettronico, e sono
osservabili quando superano la risoluzione dello strumento.
Oltre al problema dell’interferenza, è facile constatare che la qualità e il valore di resistenza dei
potenziometri sulla basetta non consentono una agevole regolazione della corrente con una
risoluzione inferiore a 0.1 µA. Per questi motivi si richiede, quindi, che la corrente durante la
prova sia semplicemente compresa tra 19.90 e 20.10 µA.
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12
•
Segnate sul foglio risultati il valore della corrente di base fissato (IB') e la portata
IFS. Trascrivete la formula per l'incertezza di misura (desumendola dalle
specifiche) e calcolatela.
E' consigliabile eseguire la successiva misura di VR1 ' quando la corrente di base I B ' si è il più
possibile stabilizzata. In ogni caso, va segnato sul foglio risultati il valore di I B ' presente al
momento della misura di VR1 ' .
•
Misurate ora la tensione VR1' (asse verticale), posizionando il cursore Y2(2)
all'intersezione della curva caratteristica con il cursore X2(2) già collocato in
0
corrispondenza di VCE
. Se necessario, modificate i valori di guadagno verticale e
posizione verticale dell'asse Y allo scopo di visualizzare la caratteristica il più
possibile ingrandita.
Poiché la traccia visualizzata è piuttosto spessa a causa del rumore, i cursori X e Y dovranno
intersecarsi il più possibile al centro della traccia.
•
Segnate sul foglio risultati il valore misurato di VR1 ' , insieme ai valori di
guadagno verticale VFS e posizione verticale VP dell'asse Y.
•
Trascrivete sul foglio risultati la formula appropriata per il calcolo dell'incertezza
e calcolatene il valore.
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13
•
Calcolate il valore della corrente di collettore IC ' = VR1 ' /R1 , e l'incertezza di
misura mediante la formula già trascritta nel foglio risultati.
•
Calcolate il valore del guadagno di corrente in continua hFE ' = IC ' /IB' , e
l'incertezza di misura mediante la formula già trascritta nel foglio risultati.
5) Misura di hFE per corrente di base pari a 40 µA, e del guadagno
differenziale di corrente
•
β̂ .
Ripetete le stesse operazioni della fase 4, impostando però un valore di corrente
di base pari a IB' = 40 ± 1 µA.
Per ragioni legate alla natura dei potenziometri impiegati, la regolazione precisa della corrente
di base è molto più difficoltosa in corrispondenza del valore di 40 µA.. Si ammette perciò in
questo caso una tolleranza notevolmente maggiore.
•
Calcolate il guadagno differenziale
βˆ = ∆IC / ∆I B = ( IC ''− IC ') /( I B ''− I B ') .
Il calcolo dell'incertezza non è richiesto perché si dovrebbe tenere in conto la correlazione tra gli
errori nelle misure di I B e quella tra gli errori nelle misure di I C . Questo argomento non è stato
ancora adeguatamente trattato.
6) FACOLTATIVO - Registrazione delle forme d'onda per elaborazioni
future
•
Senza alterare la regolazione della corrente di base, regolate il guadagno
verticale del canale 1 (asse X) a 200 mV/div, e la posizione dello stesso canale in
modo da centrare la caratteristica sullo schermo.
La parte di caratteristica del BJT che si intende visualizzare al calcolatore va all'incirca da
VCE = −0.1 V a VCE = 1.5 V. Questa regione deve essere contenuta nelle otto divisioni
orizzontali centrali, perché le forme d'onda verranno importate usando l'oscilloscopio in modo
normale, e non in modo XY.
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14
•
Passate l'oscilloscopio dalla modalità XY alla modalità normale. Regolate, se
necessario, la base dei tempi in modo tale da visualizzare due-tre periodi delle
forme d'onda. Attenzione: non alterate le impostazioni verticali.
In questo modo sarà possibile, dopo la registrazione su PC delle forme d'onda, riprodurre al
calcolatore la stessa caratteristica visualizzata durante le misure. L'uso del modo normale
comporta innanzitutto il vantaggio di poter eliminare il rumore utilizzando le medie.
•
Attivate la funzione di averaging su 256 forme d’onda (
Display
,
Average
<F3>
,
# Average
8 64 256
<F4>
), in
modo da eliminare l'effetto del rumore.
Questo è il motivo principale per cui eseguiamo la registrazione delle forme d'onda in modo
normale. In modo XY le medie sono disattivate.
•
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Chiamate gli esercitatori per la registrazione delle forme d'onda visualizzate.
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Specifiche di incertezza (tratte dai manuali degli strumenti)
Specifiche del multimetro HP974A per misure di resistenza
Specifiche del multimetro HP974A per misure di corrente
Specifiche degli oscilloscopi serie HP54600B per misure di tensione
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16
Prova 2
Misure sulla caratteristica statica di un BJT
Foglio risultati
Strumentazione e componenti utilizzati
Tipo di strumento
Produttore
Oscilloscopio digitale
Modello
Altre informazioni
D / GSE / FSE
(sottolineare)
Multimetro digitale
D / GSE / FSE
(sottolineare)
Generatore di funzioni
D / GSE / FSE
(sottolineare)
Sonde compensate 1X-10X
Trasformatore per
-------------telecomunicazioni
Transistore bipolare in prova --------------
Risultati delle misure
Grandezza
Portata
misurata
R1
RFS
0
VCE
VFS
TF048
(sottolineare)
BC107
Risoluzione o
Pos. verticale
QR
Formula dell'incertezza
VP
0
1.9%VCE
+ 1.2%VFS + 0.5% | VP |
IB '
I FS
QI
VR1 '
VFS
VP
IC '
--------------
--------------
hFE '
--------------
--------------
I B ''
I FS
QI
VR1 ''
VFS
VP
I C ''
--------------
--------------
hFE ''
--------------
--------------
β̂
--------------
--------------
Studenti che hanno partecipato alla prova:
Gruppo n.
Cognome
Nome
Valore dell'
incertezza
0.06% R1 + 2 ⋅ QR
0
2.4%VCE
00028
usato / non usato
oppure
+ 1.2%VFS + 0.5% | VP |
U (VR ') / | VR ' | +U ( R1 ) / | R1 | | I C ' |
1
1
U ( I C ') / | I C ' | +U ( I B ') / | I B ' | | hFE ' |
------------------------------
Matricola
--------------
Firma
17
