22. Der BJT-Transistor ist als Diode geschaltet

22.1. Zielsetzung

Der Zweck dieses Versuchs ist es, die Vorwärts- und Rückwärtsstrom-/Spannungseigenschaften eines als Diode geschalteten Bipolartransistors („Bipolar Junction Transistor“, BJT) zu untersuchen.

22.2. Hinweise

In diesen Tutorials verwenden wir die Terminologie aus dem Benutzerhandbuch, wenn Sie sich auf die Verbindungen zur Red Pitaya STEMlab - Board - Hardware beziehen.

Oszilloskope- & Signalgenerator Anwendung wird zum Erzeugen und Beobachten von Signalen auf der Schaltung verwendet.

Die für die Spannungsversorgung +5V, -3.3V und +3.3V verwendeten Steckerstifte sind in der Dokumentation aufgeführt.

Hinweis

Red Pitaya STEMlab-Ausgänge können Spannungssignale mit einem maximalen Ausgangsbereich von +/- 1V (2Vpp) erzeugen. Für diesen Versuch sind höhere Signalamplituden erforderlich. Aus diesem Grund werden wir einen OP484 Inverter verwenden, um die Signalverstärkung von OUT1 / OUT2 zu ermöglichen und einen Spannungshub von \(+4,7\,V\) bis \(-3,2\,V\) zu erreichen. Ein OP484 wird von STEMlab \(+ 5\,V\) und \(-3.3\,V\) Spannungsschienen versorgt. Die Verstärkung des invertierenden Verstärkers wird auf \(\approx5\) gesetzt, wobei gilt \(R_i = 2.2\,k\Omega\) und \(R_f = 10\,k\Omega\)

Versuchen Sie zu beantworten, warum wir ein OP484 anstelle von OP27 oder OP97 verwendet haben. (Hinweis: Rail-to-Rail).

22.3. Materialien

  • Red Pitaya STEMlab

  • OP484 Quad-Rail-to-Rail-Operationsverstärker

  • \(1\,k\Omega\) Widerstand

  • \(10\,k\Omega\) Widerstand

  • \(2,2\,k\Omega\) Widerstand

  • Kleinsignal npn-Transistor (2N3904)

  • Kleinsignal pnp-Transistor (2N3906)

  • lötfreies Steckbrett

  • 9V Batterie/Labornetzteil

Ein npn-Transistor, der wie in Abb. 22.1 gezeigt angeschlossen ist, verhält sich wie eine reguläre Diode. Wir können dies durch Messen der npn-Antwort unter Verwendung der Oszilloskop- & Signalgenerator-Anwendung zeigen.

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Abb. 22.1 npn als Diodenanschlussdiagramm

Bemerkung

Beachten Sie, dass die in Abb. 22.1 (links) gezeigte Verstärkerschaltung nicht das Hauptthema dieses Experiments ist. Diese Schaltung wird nur hinzugefügt, um das Signal OUT1 zu verstärken.

Von hier aus können Sie den Punkt \(-5 \times V_{OUT1}\) als Haupterregungssignal betrachten.

22.4. Verfahren

  1. Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 22.1 auf dem Steckbrett auf. Setzen Sie für \(R1 = 2,2\,k\Omega\), \(R2 = 10\,k\Omega\) und \(R3 = 1\,k\Omega\) ein.

    ../_images/Activity_22_Fig_02.png

    Abb. 22.2 npn-Transistor als Diodenverbindung auf dem Steckbrett

    Warnung

    Bevor Sie die Schaltung an die STEMlab-Pins -3,3V und +3,3V anschließen, überprüfen Sie nochmal Ihre Schaltung. Die Spannungsversorgungsstifte -3,3V und +3,3V haben keine Schutzschaltung und können im Falle eines Kurzschlusses beschädigt werden.

  2. Starten Sie die Anwendung Oszilloskop & Signalgenerator

  3. Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,8\,V\), den DC-Offset auf \(-0,12\,V\) und die Frequenz auf \(1\,kHz\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenform-Menü TRIANGLE, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie Enable.

  4. Stellen Sie sicher, dass IN1, IN2 und MATH \(V/div\) auf der linken unteren Seite des Bildschirms auf \(1\,V/div\) eingestellt sind (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und vertikalen +/- Regler verwenden)

  5. Setzen Sie \(t/div\) Wert auf \(200\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Regler einstellen)

  6. Stellen Sie unter MATH-Kanaleinstellungen folgendes ein: math: IN1-IN2 und wählen Sie ENABLE.

  7. Stellen Sie unter den Menüeinstellungen IN1 und IN2 den Messtaster auf x10 und den vertikalen Offset auf 0.

    ../_images/Activity_22_Fig_03.png

    Abb. 22.3 npn-Transistor als Diodenmessungen

Aus Abb. 22.3 ist ersichtlich, dass der npn BJT-Transistor in der, in Abb. 22.1 gezeigten Konfiguration, sich wie eine Diode verhält.

Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Diodenmessungen aus dem vorherigen Versuch.

22.5. VI-Kurvenmessungen

Da sich BJT wie eine Diode verhalten kann (vgl. Konfiguration in Abb. 22.1), können wir die VI-Charakteristik messen, wie wir es bei der Diodenmessungen getan haben.

Für diese Aufgabe verwenden wir die Jupyter Notebook Web-Anwendung. Wie man Jupyter Notebook startet und ein neues Projekt erstellt, ist in Abb. 22.5 dargestellt.

Bemerkung

Das Jupyter Notebook ist eine Webanwendung, mit der Sie Dokumente erstellen und freigeben können, die Live-Code, Gleichungen, Visualisierungen und erklärenden Text enthalten. Sie haben auch die Unterstützung der Jupyter-Anwendung mit Red Pitaya-Bibliotheken sichergestellt, die die Steuerung aller Funktionen der STEMlab-Boards ermöglichen: Signalerfassung, Signalerzeugung, digitale Signalsteuerung, Kommunikation usw. Das Jupyter-Notebook wird auf die gleiche Weise gestartet wie jede andere Anwendungen. Nach dem Start der Jupyter-Anwendung wird ein webbasiertes Notizbuch geöffnet. Diese Kombination aus Notebook, STEMlab und Python macht das STEMlab zu einem hervorragenden Werkzeug für das Prototyping und die schnelle Programmierung. Da Jupyter Notebook Text-, Gleichungs- und Bildbearbeitung ermöglicht, ist es ein perfektes Werkzeug für Tutorials, Beispiele und vieles mehr.

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Abb. 22.4 Erstellen eines neuen Jupyter-Notebooks

Wenn Sie erfolgreich ein neues Jupyter-Notebook erstellt haben, kopieren Sie den untenstehenden Code und führen Sie ihn aus.

Der untenstehende Code erzeugt das gleiche Signal wie in Abb. 22.6, aber er zeichnet sie im XY-Diagramm auf.

Zum Messen der \(VI\) -Kurve wird ein „XY“-Plot benötigt, wobei die x-Achse die Diodenspannung \(IN_2\) und y-Achse ein Diodenstrom \((IN_1 - IN_2) / R_3\) darstellt.

Kopieren Sie den Code von unten in die Zelle 1

 1# Import libraries
 2from redpitaya.overlay.mercury import mercury as overlay
 3
 4from bokeh.io import push_notebook, show, output_notebook
 5from bokeh.models import HoverTool, Range1d, LinearAxis, LabelSet, Label
 6from bokeh.plotting import figure, output_file, show
 7from bokeh.resources import INLINE
 8output_notebook(resources=INLINE)
 9
10import numpy as np
11
12# Initialize fpga modules
13fpga = overlay()
14gen0 = fpga.gen(0)
15osc = [fpga.osc(ch, 1.0) for ch in range(fpga._MNO)]
16
17# Configure OUT1 generator channel
18gen0.amplitude = 0.8
19gen0.offset = -0.12
20gen0.waveform = gen0.sawtooth(0.5)
21gen0.frequency = 2000
22gen0.start()
23gen0.enable = True
24gen0.trigger()
25
26# R1 resistor value
27R1 = 1000
28
29# Configure IN1 and IN2 oscilloscope input channels
30for ch in osc:
31    ch.filter_bypass = True
32
33    # data rate decimation
34    ch.decimation = 10
35
36    # trigger timing [sample periods]
37    N = ch.buffer_size
38    ch.trigger_pre = 0
39    ch.trigger_post = N
40
41    # osc0 is controlling both channels
42    ch.sync_src = fpga.sync_src["osc0"]
43    ch.trig_src = fpga.trig_src["osc0"]
44
45    # trigger level [V], edge ['neg', 'pos'] and holdoff time [sample periods]
46    ch.level = 0.01
47    ch.edg = 'pos'
48    ch.holdoff = 0
49
50    # Initialize diode current and voltage
51    V = I = np.zeros(N)
52
53    # Plotting
54    hover = HoverTool(mode='vline', tooltips=[("V", "@x"), ("I", "@y")])
55    tools = "wheel_zoom, box_zoom, reset,pan"
56    p = figure(plot_height=500,
57               plot_width=900,
58               title="XY plot of transistor VI characteristic",
59               toolbar_location="right",
60               tools=(tools, hover))
61    p.xaxis.axis_label = 'Voltage [V]'
62    p.yaxis.axis_label = 'Current [mA]'
63    r = p.line(V, I, line_width=1, line_alpha=0.7, color="blue")
64
65    # get and explicit handle to update the next show cell
66    target = show(p, notebook_handle=True)

Erstelle eine neue Zelle (Einfügen -> Zelle darunter) und kopiere Code von unten hinein.

 1# Measuring I, V  and re-plotting
 2while True:
 3    # reset and start
 4    osc[0].reset()
 5    osc[0].start()
 6
 7    # wait for data
 8    while (osc[0].status_run()):
 9        pass
10    V0 = osc[0].data(N-100)*10  # IN1 signal
11    V1 = osc[1].data(N-100)*10  # IN2 signal
12    I = ((V0-V1)/R1)*1E3        # 1E3 convert to mA
13    r.data_source.data['x'] = V0
14    r.data_source.data['y'] = I
15
16    push_notebook(handle=target)

Führen Sie Zelle 1 und Zelle 2 aus. Hinweis Zelle 2 ist eine Hauptschleife für die Erfassung und Neuaufnahme. Wenn Sie die Erfassung stoppen, führen Sie einfach nur Zelle 2 aus, um die Messungen erneut zu starten.

Nach dem Ausführen des obigen Codes sollten Sie die Diode VI-Charakteristik erhalten, wie in Abb. 22.5 gezeigt.

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Abb. 22.5 BJT VI-Charakteristik gemessen mit Jupyter Notebook

In Abb. 22.5 ist die in einer Diodenkonfiguration gemessene BJT VI-Charakteristik dargestellt. Vergleichen Sie diese Ergebnisse mit der VI-Charakteristik der Diode.

Wiederum sehen wir die Hysterese. Erklären Sie, warum wir Transistoren als Dioden verwenden wollen?

22.6. Reverse Breakdown-Eigenschaften

Hier untersuchen wir die Rückwärtsdurchbruchspannungseigenschaften der Emitter-Basis-Verbindung eines als Diode angeschlossenen Bipolartransistors (BJT).

Bauen Sie die Schaltung auf der Lochrasterplatine so auf, wie es in Abb. 22.6 dargestellt ist. Der Emitter wird an den positiven Batteriepol angeschlossen.

Die npn-Transistoren haben wahrscheinlich eine Durchbruchspannung von mehr als \(10\,V\) und es kann vorkommen, dass der maximale Spannungsbereich nicht ausreichend ist. Wir werden daher nicht in der Lage sein, Q1 oberhalb der Durchbruchspannung umzupolen. Aus diesem Grund haben wir eine zusätzliche Batterie hinzugefügt, um das Emitterpotential in der Nähe der Rückwärtsdurchbruchsspannung zu erhöhen. Wenn also unser \(V_ {OUT}\) Signal negativ wird, arbeitet der Transistor rückwärts, aber die Differenzspannung \(V_{E-BC} = V_E - V_{BC}\) bleibt größer als die Durchbruchspannung und der Transistor beginnt zu leiten.

Zum Beispiel ohne Batterie, wenn der Emitter auf GND ist, kann der Transistor Q1 mit folgendem negativen Potential vorgestpannt werden:

(22.1)\[V_{E-BC} = V_E - V_{BC} = 0 - (-3,3 V) = 3,3 V \quad \text{von} \quad \text{negative Vorspannung}\]

Mit einer Batterie kann beispielsweise die maximale negative Vorspannung erreicht werden:

(22.2)\[V_{E-BC} = V_E - V_{BC} = 9 - (-3,3 V) = 12.3 V\]

wobei \(V_{BC}\) die maximale negative Schwankung unseres Erregerspannungssignals \(V_{OUT}\) ist.

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Abb. 22.6 npn Emitter-Basis rückwärts Durchbruchkonfiguration

22.7. Verfahren

Bauen Sie die Schaltung aus der Abb. 22.6 auf dem Steckbrett auf und fahre mit den Messungen fort.

../_images/Activity_22_Fig_07.png

Abb. 22.7 npn-Emitter Base Reverse-Durchbruchkonfiguration auf dem Steckbrett

Für diese Aufgabe verwenden wir die Jupyter Notebook Web-Anwendung. Wie man Jupyter Notebook startet und ein neues Projekt erstellt, ist in Abb. 22.4 dargestellt.

Da Sie Jupyter Notebook bereits von Vorschau aus ausführen, wird nur ein kleines Update des Codes benötigt.

Bemerkung

Sie sollten Jupyter Notebook anhalten, indem Sie das Symbol Stop in der Menüleiste auswählen.

Nach diesem Update Zelle 2 wie unten gezeigt:

 1# Measuring I, V  and re-plotting
 2while True:
 3    # reset and start
 4    osc[0].reset()
 5    osc[0].start()
 6
 7    # wait for data
 8    while (osc[0].status_run()):
 9        pass
10    V0 = osc[0].data(N-100)*10  # IN1 signal
11    V1 = osc[1].data(N-100)*10  # IN2 signal
12    I = ((V0-V1)/R1)*1E3        # 1E3 convert to mA
13    r.data_source.data['x'] = V0
14    r.data_source.data['y'] = I
15
16    push_notebook(handle=target)

Wie Sie aus dem obigen Code sehen können haben wir nur „-9“ hinzugefügt, um das Potential der Batterie bei der Ausführung des Plottings zu berücksichtigen.

Wählen Sie Zelle 2 und drücken Sie Play in der Menüleiste. Beachten Sie, Zelle 2 ist eine Hauptschleife für die Erfassung und das erneute Plotten. Wenn Sie die Erfassung stoppen, führen Sie nur die Zelle 2 aus, um die Messungen erneut zu starten.

Achten Sie darauf, die tatsächliche Batteriespannung für die genauesten Messungen zu messen.

Wenn Sie den Jupyter Notebook-Code aktualisiert und korrekt ausgeführt haben, sollten Sie ähnliche Ergebnisse wie in Abb. 22.8 erhalten.

../_images/Activity_22_Fig_08.png

Abb. 22.8 Messung der npn-Emitter-Basis-Durchbruchspannung

Aus Abb. 22.8 können wir sehen, dass die umgekehrte Durchbruchspannung des npn BJT 2N3904-Transistors etwa 10 V beträgt.

22.8. Frage

Trennen Sie den Kollektor von Q1 und lassen Sie ihn offen. Wie ändert sich die Durchbruchspannung?

22.9. Absenken der effektiven Durchlassspannung der Diode

Hier untersuchen wir eine Schaltungskonfiguration mit kleineren Durchlassspannungseigenschaften als ein, als Diode angeschlossener, Bipolar-Junction-Transistor (BJT). Die Einschaltspannung der „Diode“ sollte etwa \(\approx 0,1\,V\) betragen, gegenüber \(\approx 0,7\,V\) für den einfachen Diodenanschluss im ersten Beispiel.

../_images/Activity_22_Fig_09.png

Abb. 22.9 Konfiguration zur Reduzierung des effektiven Durchlassspannungsabfalls der Diode

22.10. Verfahren

  1. Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 22.9 auf dem Steckbrett auf. Setzen Sie für \(R3 = 1\,k\Omega\), \(R4 = 100\,k\Omega\) und verwende für Q1 2N3904 npn und für Q2 2N3904 pnp-Transistor.

    ../_images/Activity_22_Fig_10.png

    Konfiguration zur Verringerung des effektiven Durchlassspannungsabfalls der Diode auf dem Steckbrett

    Warnung

    Bevor Sie die Schaltung an die STEMlab-Pins -3,3V und +3,3V anschließen, überprüfen Sie nochmal Ihre Schaltung. Die Spannungsversorgungsstifte -3,3V und +3,3V haben keine Schutzschaltung und können im Falle eines Kurzschlusses beschädigt werden.

  2. Starten Sie die Anwendung Oszilloskop & Signalgenerator

  3. Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,8\,V\), den DC-Offset auf \(-0,12\,V\) und die Frequenz auf \(1\,kHz\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenform-Menü TRIANGLE, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie Enable.

  4. Vergewissern Sie sich auf der linken unteren Seite des Bildschirms, dass IN1 \(V/div\) auf \(1\,V/div\) und IN2 \(V/div\) auf \(500\,mV/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie die gewünschten Kanal auswählen und vertikalen +/- Regler verwenden.)

  5. Setzen Sie \(t/div\) Wert auf \(200\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Regler einstellen)

  6. Stellen Sie unter den Menüeinstellungen IN1 und IN2 den Messtaster auf x10 und den vertikalen Offset auf 0.

  7. Stellen Sie unter MATH-Menüeinstellungen den vertikalen Offset auf 0 ein.

    ../_images/Activity_22_Fig_11.png

    Abb. 22.10 Geringere effektivere Durchlassspannung von Diodenmessungen

    Warnung

    Wie sie Abb. 22.10 entnehmen können, beträgt die Durchlassspannung etwa 100 mV. Sie können auch feststellen, dass Q2 nicht notwendig ist, um die Durchlassspannung des Q1 zu senken.

    Die Hauptrolle spielt hier der Widerstand \(R4\), der mit der Basis von Q1 verbunden ist. Versuchen Sie, Q2 zu entfernen und die Ergebnisse zu beobachten.

22.11. Fragen

Könnte der Kollektor des pnp Q2 mit einem anderen Knoten wie einer negativen Versorgungsspannung verbunden sein? Und was wäre der Effekt?