Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet
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Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di transistor BJT e MosFet
Caratteristica del transistor bipolare (BJT)
La descrizione qualitativa del funzionamento del transistor BJT è stata data a
lezione e fa parte degli appunti delle lezioni.
Considerando il transistor come una scatola nera si può definirlo come un quadripolo
avente due morsetti di ingresso e due di uscita. Per il suo utilizzo si richiede pertanto di
conoscere le caratteristiche di ingresso e di uscita.
Lo schema elettrico consigliato è presentato in fig.1 dove il transistore è collegato ad
emettitore comune.
Transistor
mA
B
uA
E
V
VBB
C
Vbe
0
Vce
V
10k
VCC
0
Fig. 1 Schema elettrico per ricavare le caratteristiche di un transistor
Il comportamento del transistor collegato in questo modo è il seguente: facendo passare
una piccola corrente Ib dentro la base si ottiene un grande passaggio di corrente Ic sul
collettore. Il rapporto di amplificazione e definito come:
F = hFE = Ic/Ib
Questa amplificazione è generalmente compressa fra 30 e 500 e dipende oltre che dalla
sua costruzione, anche dalla temperatura del transistor, infatti l’espressione della
corrente in una giunzione, data nell’esperimento del diodo:
Vd
VT
I d I 0 (e
1)
dipende dalla temperatura assoluta sia nella corrente I0 che nel valore dell’esponente. A
parità di tensione applicata ai capi della giunzione, aumentando la temperatura aumenta
la corrente nella giunzione. Per evitare che le caratteristiche che si stanno ricavando
siano compromesse dal forte aumento della temperatura del transistor è necessario
limitare la potenza dissipata soprattutto nel circuito di collettore disegnando, prima di
iniziare le misure, la curva di massima potenza:
Pmax = Vce Ic
che nel piano Ic = f(Vce) è rappresentata da un iperbole.
Un transistor disponibile in laboratorio è del tipo NPN con sigla 2N2222 e può dissipare
al massimo 50mW, pertanto se la tensione Vce è 2V si può far passare 25mA, mentre
con Vce = 6V la Ic diventa 8.33mA, infine per Vce = 10V la Ic si riduce a 5mA.
Si richiede di ricavare la famiglia di curve Ic = f(Vce) per Ib = costante come
presentato per esempio in fig. 2 costruendo la tabella 1.
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2
Ic mA
20
60A
50A
15
40A
30A
10
20A
5
10A
2
4
6
8
10
12
Vce V
Fig. 2 Caratteristica Ic = f(Vce) per Ib = costante
-
Procedimento:
Impostare una corrente di base 10 A letta sul tester analogico
Leggere la tensione Vbe sul tester digitale
Variare la tensione Vce e leggere la corrente indicata dal generatore.
Impostare una corrente di base 20 A e rifare le misure cambiando Vce
Ib A
Vce Volt
Vbe Volt
Ic mA
10
0
-------
-------
10
0,5
-------
-------
10
1
-------
-------
10
-------
------
-------
10
12
-------
-------
20
0,5
-------
-------
20
0
-------
-------
20
-------
-------
-------
20
12
-------
-------
Tabella 1
Ricavare una famiglia di curve per valori di corrente di base fino a 100 A
Dagli stessi dati si può ricostruire la famiglia di curve per Vbe = f(Ib) con Vce = cost
come presentato in fig. 3
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3
tensione Vbe Volt
Graficare f = f(Ic) per Vce = 6 V
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
20
40
60
80
corrente Ib uA
Fig. 3 Tensione di base in funzione della corrente di base per Vce = 6 V
Sistema di Acquisizione dati (DAQ)
Nel laboratorio III è disponibile un sistema di rilevamento delle caratteristiche di
transistor BJT e MOS mediante l'uso di un'interfaccia collegata ad un calcolatore.
Lo studente è perciò libero di scegliere se usare il sistema manuale o automatico
L'interfaccia che collega il calcolatore ed il quadripolo in esame (transistor) è situata
all'interno del calcolatore e non è (di norma) accessibile allo studente.
L'interfaccia invia due tensioni VBB e VCC e misura due tensioni VBE e VCE.
I collegamenti da effettuare sulla basetta porta transistor sono illustrati nella fig. 4.
Per misurare la corrente che circola nella base IB del transistor il software disponibile
effettua l' operazione:
V VBE
I B BB
RB
mentre la corrente IC
V VCE
I C CC
Rc
VCC
R2
1k
IC
VBB
100k
IB
VCE
VBE
U1
R1
VBE
VCE
VBB
G
G
0
Fig.4 Disposizione dei collegamenti da effettuare per il sistema di acquisizione.
Sono da collegare i generatori VBB e VCC; VBE e VCE, sono tensioni dal leggere.
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Le operazioni che il software produce sono:
1) Genera una tensione VBB che produce nella base una corrente IB;
durante questa fase viene applicata una tensione VCC che nel tempo si incrementa. Ad
ogni incremento di VCC viene misurata la tensione VCE e calcolata la corrente IC. La
tensione Vcc può essere incrementata fino a 10V con passi da impostare dal pannello di
controllo.
Per ogni valore di IB si ha una curva IC = f (VCE) per IB = costante.
2) Il programma incrementa la VBB di uno “step” e si ripete nuovamente il ciclo di VCC.
Si ottiene una famiglia di curve per IB = cost
Il grafico in funzione del tempo delle tensioni generate è presentato in fig. 5.
Controllare con l’oscilloscopio digitale e facendo uso dei “probe” disponibili le
tensioni che genera l’ interfaccia.
Modo di operare
Cliccare sull’icona “Caratteristiche di uscita del transistor” Il programma presenta sul
monitor il pannello di controllo con impostazioni di “default”. Lo studente deve
cambiare le impostazioni in modo da acquisire un numero di dati sufficienti per la
successiva elaborazione (eventualmente con Excel disponibile in laboratorio),
calcolando il numero finale di dati che si ottengono.
Esempio: se si imposta Vcc finale fino a 10V con step di 0,1V si ottengono per ogni
curva 100 punti. Se si imposta una VBB fino a 3V con step di 0,1 V si ottengono 30
curve composte ognuna di 100 punti.
Impostare il valore della resistenza di collettore Rc. Per calcolare questo valore bisogna
conoscere la massima corrente che il generatore Vcc può fornire (nel nostro caso risulta
di 10 mA). Se il transistor conducesse moltissimo al limite la tensione VCE risulterebbe
V VCE VCC 10
R C min CC
1k
uguale a zero, perciò
10
10 10
Impostare il valore della resistenza RB. Per calcolare questo valore si può ricordare che
il f dei transistor BJT è compreso fra 50 –300, quindi la corrente di base massima sarà
I
10
I BMAX CMAX
0,2 0,03mA
f
f
Applicando una VBB di 3V si ottiene una RB di:
RB
3 0,7
11 76k
I BMAX
Ricordare che questi valori sono solo indicativi: si può aumentare la VBB ed aumentare
contemporaneamente il valore della RB. Lo studente è libero di provare.
Impostati questi valori sul pannello di controllo e realizzati i collegamenti fra la basetta
e l’interfaccia con i componenti (il transistor è già montato sulla basetta disponibile ed è
un transistor npn di bassa potenza), si può lanciare il programma.
Alla fine dell’acquisizione verrà presentata la famiglia di curve e richiesto se si
vogliono salvare i dati. Sarebbe preferibile salvare solo i dati interessanti per non
intasare il disco fisso. Il file così generato può essere elaborato con il programma Excel
per ricavare il F del transistor.
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VBB
t
VCC
t
Fig. 5 Forme d’onda di VCC e VBB generate dall’interfaccia fra
calcolatore e sistema in esame
Caratteristiche di ingresso
Con lo stesso circuito si può anche ricavare la famiglia IB = f(VBE) per Ic = cost.,
usando il programma “Caratteristiche di ingresso”.
Anche in questo caso alla fine del ciclo di acquisizione si può memorizzare il file.
Osservare che la tensione base – emittore del transistor rimane entro i limiti 0,5 – 0,7 V.
Transistor MOSFET
Il transistor Mosfet è un altro tipo di “device” a semiconduttore attualmente molto usato
soprattutto nei circuiti logici dei calcolatori, memorie, CPU ecc.
A differenza del transistor BJT, che richiede una corrente di base come comando,
il Mosfet è comandato da una tensione.
La struttura di un transistor MosFet è stata descritta nelle lezioni introduttive al
laboratorio e si trova descritto qualitativamente negli appunti delle lezioni.
Il simbolo del del Mosfet è rappresentato in figura 6 (si usano in alternativa anche altre
rappresentazioni):
C
B
D
G
E
transistor BJT npn
D
G
S
MosFet canale n
S
MosFet canale p
Fig. 6 Simboli usati per rappresentare i transistor BJT e MosFet
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Il gate G è l'elettrodo di comando. Applicando una tensione VDS positiva (per il tipo a
canale n ad arricchimento, come quelli disponibili in laboratorio) si abilita un passaggio
di corrente fra D (Drain) e S (Source).
Il MosFet a canale n richiede una tensione positiva sul Drain rispetto al Source mentre il
canale p richiede una tensione negativa.
Una famiglia di caratteristiche di uscita di un Mosfet a canale n ad arricchimento è
rappresentata in fig. 7.
ID mA
10
3,5VGS
8
3,4=VGS
6
4
3,3=VGS
3,2=VGS
2
3,1=VGS
3=VGS
2
4
6
8
10
VDS
Fig. 7 Caratteristica ID = f(VDS) per VGS = costante
In fig.8 è presentato lo schema elettrico da realizzare ed i quattro collegamenti necessari
per il funzionamento dell’ interfaccia ed il software relativo. Anche in questo caso la
resistenza R2 è necessaria perché l’interfaccia è in grado di leggere solo tensioni e non
correnti.E’ inutile la resistenza R1,infatti, come detto precedentemente, nel GATE non
circola corrente.
VDD
R2
D
.
R1
VGG
10k
G
1k
ID
.
MOSFET N
S
VDS
VGS
Fig. 8 Schema da realizzare per ricavare le caratteristiche di un MosFet
Analizzando i dati ricavati, si può costruite una curva Id = f(VGS) per VDS = cost. e
Verificare che rappresenta una parabola.
Nelle figure seguenti sono rappresentati i pannelli di controllo che compaiono sul
monitor del calcolatore con valori di “default”. E’ compito dello studente cambiarle per
ottenere il miglior risultato.
