Aineopintojen laboratoriotyöt I. Ominaiskäyrät

Transkriptio

1 Aineopintojen laboratoriotyöt I Ominaiskäyrät Aki Kutvonen Op.nmr assistentti: Tommi Järvi työ tehty palautettu

2 Tiivistelmä Tutkittiin elektroniikan peruskomponenttien jännite-virtaominaiskäyriä joiden pohjalta laskettiin komponenttien ominaisuuksia. Tuloksiksi saatiin: Diodi: estosuunatainen dynaaminen resistanssi 1.2±1.0 kώ, kynnysjännite 0.37±0.05V Zenerdiodi: estosuunnan päästöjännite 6.7±0.7V Vastus: resistanssi 7.1±0.5 kώ VDR: katso kuvat FET: siirtokonduktanssi 2.01±0.5 mώ -1,antoimpedanssi 38±15 kώ NPN-transistori :impedanssi h oe 15±10 μώ -1,vahvistuskerroin h fe 120±40 Tulokset Kuva 1: Kytkennät Juotettiin kuvan 1. mukaiset kytkennät, joilla komponenttien ominaisuuksia tutkittiin, oskilloskoopin kanava 1 kytkettiin liittimiin -X,+Y ja kanava 2 liittimiin (+Y,-Y) (katso kuva 1). Referenssivastuksen R 0 resistanssi oli 4.7kΏ. Kanavan 2 näyttämästä jännitteestä laskettiin virta ohmin lain mukaan referenssivastuksen avulla. Diodi Diodin estosuuntaiselle dynaamiselle resistanssille saatiin kuvaajan perusteella (liite 8) R diodi = V diodi = 0.2V =1.2kΏ virheeksi arvioitiin virhesuorien avulla 1kΏ I diodi A Diodin päästösuuntaiseksi kynnysjännitteeksi luettiin kuvaajasta 0.37±0.05V. Diodi on puolijohdekomponentti joka päästää virran läpi vain toiseen suuntaan. Diodilla on monia sovellutuksia esim sitä voidaan käyttää vaihtovirran tasasuuntaamiseen. Ominaiskäyrät 2

3 Zenerdiodi Zenerdiodin zenerjännitteeksi eli estosuunnan jännitteeksi, jonkajälkeen diodi alkoi johtaa vyörynomaisesti, määritettiin kuvaajasta (liite 10) 6.7±0.7V. Zenerdiodi on rakenteeltaan hyvin samanlainen kuin diodi, erona on kuitenkin estosuunnassa hyvin määritelty läpilyöntiraja, joten komponentti ei hajoa läpilyönnistä ja sitä voidaan käyttää esim jänniteregulointiin. Vastus Vastuksen resistanssiksi määritettiin kuvaajasta(liite 11) R vastus = V vastus = 30V I vastus A =7.1kΏ Virheeksi arvioitiin virhesuorien avulla 0.5kΏ. Värikoodin ilmoittama vastuksen resistanssi oli 6.8kΏ. Vastus on piirien peruskomponentti, joilla voidaan rakentaa esim jännitteenjakaja. Vastuksen ominaiskäyrä on suora koska resistiivisyys on lähellä huoneenlämpöä vakio. Ominaiskäyrät 3

4 VDR VDR on diodin tavoin puolijohdekomponentti, joka on ikäänkuin kaksisuuntainen diodi, virta ei pääse läpi ennenkuin läpilyöntijännite on saavutettu (liite 9). Tämän vuoksi VDR:ää voidaan käyttää esim piirien maadoituksessa. Jännitepiikin tullessa VDR päästää jännitteen läpi maadoitukseen. VDR:lle piirrettiin (V,I) -kuvaajan avulla (V,R) -kuvaaja. Kuva 2: VDR virta jännitteen funktiona Kuva 3: VDR resistanssi jännitteen funktiona Ominaiskäyrät 4

5 FET Laskettiin FET: siirtokonduktanssi g m ja antoimpedanssi g m seuraavilla kaavoilla [1] : Vertailtiin 2 eri mittausta eri syöttöjännitteen arvolla. Jännitteenjakajan resistanssit olivat:r gs =3.3kΏ ja R g =27kΏ, jossa alaindeksit gs ja g viittaavat kuvan 1 mukaisiin alaindekseihin. Liitteistä 3-7 luettiin seuraavat tulokset: Δi d [ma] 2.76± ± ± ±0.10 ΔV gs [V] 1.65± ± ± ±0.10 gm=δi d /ΔI d [mώ -1 ] 1.7± ± ± ±0.5, missä I d on nieluvirta ja V gs kuvan 1. mukaisen jännitteenjakajan päästämä jännite hilalle. Keskiarvoksi siirtokonduktanssille saatiin 2.01±0.5 mώ -1. Vastaavasti antoimpedanssi laskettiin ΔV ds kaavalla ΔI d r d = =38 ± 15 kώ, missä V ds on nielu-lähde -jännite. n FET muistuttaa ominaiskäyriltään muiden transistoreiden ominaiskäyriä. FET on ohjausjännitteellä toimiva transistori ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi esivahvistimissa. Laskettiin parametrit h oe ja h fe (liite 1): NPN-transistori ΔI c ΔI c ΔV h 0 e = ce =15±10 μώ -1 ΔI h fe = b =120±40,missä V ce on kollektorivirta, I c on n n kollektori-emittori -virta ja I b on transistorin yli mitattu virta. NPN on myös transistori, joten ei ole yllättävää että ominaiskäyrät muistuttavat paljon FET:n ominaiskäyriä. NPN on kaksipuolinen puolijohdekomponentti joka on voimakas vahvistin. NPN:ää voi käyttää kytkimenä tai normaalina vahvistimena paikoissa, joissa tarvitaan paljon vahvistusta. Johtopäätökset Tulokset vastasivat kohtalaisesti komponenteille annettuja arvoja [2]. Joissain mittauksissa olisi pitänyt käyttää tarkempaa skaalaa, jotta mittaustulosten tulkinta olisi ollut helpompaa. Toisaalta tarkalla skaalalla ongelmaksi muodostoi helposti kohina, joka myös estää tulosten tarkan tulkinnan. Ominaiskäyrät vastasivat kuitenkin muodoltaan odotuksia. Ominaiskäyrät 5

6 Lähdeluettelo [1] Aineopintojen laboratoriotyöt, Helsingin yliopisto, Fysikaalisten tieteiden laitos 2005 [2] 2N3819 datasheet, Liitteet Kuvaajat (11 kpl) Ominaiskäyrät 6