b) Dla tranzystora krzemowego

Napisać (narysować) algorytm w/w pomiaru

Algorytm badania nieznanego tranzystora.

Aby zbadać nieznany tranzystor w sposób szybki, łatwy i bezpieczny musimy posiadać przede wszystkim miernik cyfrowy z opcją testu diod (najlepiej od razu z pomiarem napięcia przepustowego) oraz opcją pomiaru wzmocnienia prądowego (hFE). Wystarczyłby sam omomierz, lecz wtedy istnieje pewne niebezpieczeństwo, że w przypadku niektórych „delikatnych” tranzystorów mogłoby dojść do zniszczenia badanego elementu wskutek przepływu zbyt dużego prądu pomiarowego omomierza. Mierniki cyfrowe są dostosowane do pomiaru elementów półprzewodnikowych i w 99,5 % badanemu elementowi nie wyrządzą krzywdy.

Pierwszą czynnością musi być ustalenie konkretnych wyprowadzeń tranzystora. Zawsze zaczynamy od znalezienia bazy. Aby nie szukać „w ciemno”, dobrze mieć pewną orientację co do układu wyprowadzeń w najpopularniejszych obudowach. Najlepiej zobaczyć do katalogu i porównać z rysunkami obudów. Niestety w przypadku obudów plastykowych, często układ wyprowadzeń jest różny dla różnych serii tranzystorów, a jeżeli oznaczenie tranzystora jest starte lub nieczytelne, to zdani jesteśmy na siebie. Lecz są obudowy, które są „pewne” w 95%. Jeżeli tranzystor jest okrągły, metalowy (TO-18. TO-39), to zazwyczaj przy „dzióbku” jest emiter, potem (zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara) baza i kolektor. W przypadku większej obudowy (tranzystory średniej mocy - tylnia ścianka to radiator - TO-220), gdy położymy ją na stole radiatorem na dół, to wyprowadzenia są kolejno : baza, kolektor, emiter. W przypadku tranzystorów średniej i dużej mocy (duża obudowa, cała metalowa z dwoma otworami, służącymi do przykręcenia do radiatora) mamy w większości przypadków tylko dwa wyprowadzenia - bazę i emiter. Kolektor z reguły jest połączony z obudową.

Zaczynamy od nóżki, która najprawdopodobniej jest bazą. Ponieważ w zastosowaniach amatorskich najczęściej (50 - 70%) spotykamy się z tranzystorami npn, zatem przykładamy „plus” do nóżki, a „minus” do pozostałych. Jeżeli oba złącza są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, to mamy pewność, że końcówka jest bazą a tranzystor jest typu npn. Jeżeli nie, to zamieniamy końcówki miernika miejscami (”minus” do nóżki, „plusem” sprawdzamy). Jeżeli oba złącza przewodzą, to wiemy, że ta nóżka to baza, a tranzystor jest typu pnp. Jeżeli tym się nie powiodło, to badamy następną, nóżkę - aż do skutku, czyli do wystąpienia jednej z powyższych sytuacji.

Następnie możemy określić materiał, z którego wykonany jest nasz element. Jeżeli napięcie przepustowe złącza wskazywane przez miernik wynosiło ok. 0,3 - 0,5 V, to mamy do czynienia z tranzystorem germanowym, jeżeli 0,6 - 0,7, to z krzemowym.

W przypadku starego tranzystora, czy wylutowanego z jakiegoś urządzenia radzę jednak dla pewności sprawdzić, czy przypadkiem nie pojawią się „dwie bazy”, czy nie ma „ani jednej”, czy nie ma zwarć pomiędzy nóżkami oraz czy nie występują dziwne napięcia złącz. Wszelkie nieprawidłowości mogą świadczyć o uszkodzeniu tranzystora. Najczęściej, jeżeli tranzystor jest uszkodzony, to występują większe różnice napięć złącza baza - emiter a baza - kolektor.

Ostatnią czynnością jest znalezienie emitera i kolektora. Wkładamy tranzystor do gniazdka miernika, służącego do pomiaru wzmocnienia prądowego. Przed włożeniem musimy jednak zwrócić uwagę na pozycję przełącznika pnp / npn - musi on odpowiadać naszemu tranzystorowi. Często znajdują się dwa gniazdka - jedno dla npn, a drugie dla pnp. Wkładamy bazę do otworu oznaczonego jako B. Położenie emitera i kolektora jest bez znaczenia - odczytujemy wzmocnienie, zamieniamy emiter i kolektor miejscami i odczytujemy ponownie. Wyprowadzenia tranzystora zgadzały się z podpisami gniazdka w tym przypadku kiedy miernik wskazywał większe wzmocnienie (przy odwrotnym położeniu tranzystor pracuje w stanie aktywnym inwersyjnym, zatem jego wzmocnienie jest wiele, wiele mniejsze).

W tym punkcie możemy jeszcze raz sprawdzić, czy tranzystor jest sprawny. Po prostu musi mieć jakieś sensowne wzmocnienie (żaden tranzystor małej czy niektóry średniej mocy nie ma prawa mieć wzmocnienia mniejszego od 50)

Ćwiczenia

Badamy dwa nieznane i nieoznaczone tranzystory. Na podstawie rozpoznania ustaliliśmy, że wyprowadzenie oznaczone kolorem żółtym są to baza, zielonym - emiter, a czerwony - kolektor.

Jeden tranzystor jest tranzystorem krzemowym npn, a drugi germanowym pnp.

Kwestię regulacji temperatury badanych tranzystorów rozwiązaliśmy następująco. Dostaliśmy układ regulacyjny, który reguluje prądem płynącym przez pewien element. Na podstawie oględzin stwierdziliśmy, że tym elementem jest zapewne tranzystor lub jakiś stabilizator. Regulując prądem płynącym przez ten element regulujemy również pośrednio temperaturę jego radiatora (im większy prąd, tym element bardziej się grzeje). Na podstawie charakterystyki T = f(I) dla tego elementu jesteśmy w stanie określić w przybliżeniu temperaturę jego radiatora przy zadanym prądzie. Zatem nastawiając konkretny prąd płynący przez ten element, jakby nastawiamy temperaturę jego radiatora. Obudowa naszego badanego tranzystora posiada kontakt z tymże radiatorem, zatem możemy regulować temperaturę badanego tranzystora. Tranzystor ten wsadzamy do gniazdka miernika hFE i co kilka minut (5 - 7 min) nastawiamy nowe wartości temperatury. Potem dla pewności ściągamy 3 pomiary wzmocnienia w odstępach jednominutowych. Za „prawdziwe” wzmocnienie uznajemy - te „największe” - uznajemy, że bardziej prawdopodobne jest, że tranzystor „nie zdążył” się nagrzać.

Na podstawie pomiarów wykreślamy charakterystyki  = f (T)

Schemat układu pomiarowego.

Wnioski :

W tym ćwiczeniu mogliśmy zaobserwować jak silnie temperatura wpływa na pracę elementów półprzewodnikowych. Jest ona właściwie największym problemem jeżeli chodzi o elektronikę. Wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się bariera potencjału złącza półprzewodnikowego. W naszym przypadku chodziło głównie o problem zmiany współczynnika wzmocnienia prądowego.
Wg teorii zwiększa się on o 10% przy wzroście temperatury struktury o 10⁰C. Sprawdziło się to w przybliżeniu w przypadku tranzystora krzemowego. Natomiast w tranzystorze germanowym, podczas wzrostu temperatury od 20 do 60⁰C wzmocnienie wzrosło trzykrotnie (!!!). Tranzystory wykonane z germanu są mało odporne na działanie temperatury (bardzo szybko zmieniają się ich parametry), toteż dzisiaj prawie nie są stosowane w układach średniej i dużej mocy.

Wzrost wzmocnienia pod wpływem temperatury ma duży wpływ na pracę tranzystora i całego układu. Niekiedy może to być nawet niebezpieczne. Jeżeli niewłaściwie ustalimy punkt pracy tranzystora (zbyt mały margines bezpieczeństwa) to zabawa może się skończyć źle. Jeżeli pod wpływem temperatury wzrośnie wzmocnienie, to wzrośnie również prąd kolektora (przy tym samym prądzie bazy, choć na marginesie - on też wzrasta : ch-ka wejściowa tranzystora „płynie z prędkością” 2,3 mV / ⁰C). Wzrost prądu płynącego przez strukturę spowoduje znów zwiększenie jej temperatury i… kółko się zamyka. Okazuje się, że układ pracuje niepoprawnie (jeżeli mamy choćby kilkanaście tranzystorów i każdy się „podgrzeje”, to przy nieprzemyślanym układzie - wprost niewiarygodnie pozmieniają się prądy, napięcia - często przekraczając najśmielsze oczekiwania), lub w najgorszym wypadku element ulegnie uszkodzeniu. Najczęstszą dopuszczalną temperaturą pracy struktury krzemowej jest około 150⁰C. Trzeba jednak pamiętać o rezystancji termicznej, czyli, że w wyniku jej istnienia obudowa zazwyczaj nie może się nagrzać do więcej niż ok. 70⁰C. W praktyce należy jednak dążyć do tego, aby temperatura pracy układu była jak najniższa (tzn. jak najbliższa 20 - 25⁰C), czyli stosować pętle ujemnych sprzężeń zwrotnych, kompensację temperaturową (chociażby najprostsze termistory), radiatory, wentylatory, „przewiewne”, najlepiej metalowe obudowy. Warto również wiedzieć, że praca elementu w podwyższonej temperaturze skraca jego żywotność.

Spis przyrządów :

Mierniki YF-3503 III / I / 438 PE

III / I / 439 PE

Miliwoltomierz

Układ do badania tranzystora bipolarnego

Element grzewczy