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Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet 1 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. Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet 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 Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet 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. Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet 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. 4 Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet 5 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 Esperienza n. 8: CARATTERISTICHE di Transistors BJT e MosFet 6 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.
