act_03/ZM_03.tex

\documentclass[]{scrartcl}
\usepackage{geometry}
 \geometry{
 a4paper,
 top=18mm,
 bottom=19mm,
 }
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[T1]{fontenc}
\usepackage{amsmath}
\usepackage[pdftex,pdfa,hidelinks,breaklinks]{hyperref}
\usepackage{url}
\usepackage{xmpincl}
\usepackage{hyperxmp}
\usepackage[affil-it]{authblk}
\usepackage{enumitem}
\usepackage{pgfplots}
\pgfplotsset{width=1.0\textwidth}
\usepackage{graphicx}
\graphicspath{ {./img/} }

\usepackage{karnaugh-map}

\renewcommand{\figurename}{Obrázek}
\renewcommand{\tablename}{Tabulka}

\date{\today}

\title{Protokol 3 - Bipolární tranzistor}
\author{M et Z}

\begin{document}
\affil{FAI UTB ve Zlíně, Softwarové inženýrství (SWI)}

\maketitle
\renewcommand{\contentsname}{Obsah}
\tableofcontents

\newpage

\section*{Zadání}
\addcontentsline{toc}{section}{Zadání}

\begin{enumerate}
    \item Změřte vstupní charakteristiku bipolárního tranzistoru
    \item Změřte převodovou charakteristiku bipolárního tranzistoru
    \item Změřte výstupní charakteristiku bipolárního tranzistoru
    \item Zapojte bipolární tranzistor ve funkci spínače
\end{enumerate}

\newpage

\section{Měření vstupní charakteristiky bipolárního tranzistoru}
\subsection{Schéma zapojení}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\includegraphics[width=0.78\textwidth]{circ}
\caption{Zapojení pro měření charakteristik bipolárního tranzistoru}
\label{circ}
\end{figure}

\subsection{Postup měření}
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
\item Zapojíme elektrický obvod podle schématu zapojení.
\item Vypočítáme minimální hodnotu odporu R a maximální proud procházející
    obvodem podle vztahů:\\
    \[I_{Max} = \frac{P_{tot}}{U_{Z_2}} \ \textrm{;} \ \ R_{Min} = \frac{U_{Z_2}}{I_{Max}}\]
    $U_{Z_2}$ – napětí zdroje $Z_2$\\
    $P_{tot}$ – maximální výkon\\
    $I_{Max}$ – maximální proud\\
    $R_{Min}$ – minimální odpor
\item Proměnný rezistor R nastavíme na hodnotu větší než je $R_{Min}$.
\item Na stejnosměrném zdroji $Z_1$ nastavíme 1V abychom docílili plného otevření
    tranzistoru. Poté na voltmetru $V_2$ nastavíme postupnou změnou odporu
    proměnného rezistoru napětí $U_{CE}$ = 1V.
\item Na zdroji $Z_1$ budeme měnit napětí od 0 do 1V. Kroky, po kterých měníme napětí,
    volíme vhodně – kolem hodnoty 0,7V bude docházet k největším změnám proudů
    protože se začne tranzistor otevírat, t.j. kolem této hodnoty provedeme větší počet měření.
\item Měření provedeme pro napětí $U_{CE}$ = 1V, 2V.
\item Naměřené hodnoty napětí $U_{BE}$ a proudu $I_B$ zapisujeme do tabulky, ze které se
    vytvoří graf (vstupní charakteristika).
\end{enumerate}

\newpage
\subsection{Tabulka}
\begin{table}[!hbt]
\centering
\begin{tabular}{||c|c||}
 \hline
 \[\textbf{U_{BE} [V]}\] & \[\textbf{I_{b_{\{1,2\}}} [mA]}\] \\
 \hline\hline
 0 & 0 \\
 0.2 & 0 \\
 0.4 & 0 \\
 0.5 & 0 \\
 0.55 & 0.001 \\
 0.6 & 0.008 \\
 0.62 & 0.0192 \\
 0.65 & 0.0568 \\
 0.665 & 0.097 \\
 0.672 & 0.128 \\
 0.686 & 0.22 \\
 \hline
\end{tabular}
\caption{Převodová charakteristika}
\label{tableprev}
\end{table}

\subsection{Graf}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={$U_{BE}$ [V]},
    ylabel={$I_b$ [mA]},
    xmin=0, xmax=0.7,
    ymin=0, ymax=0.25,
    xtick={0,0.1,0.2,0.4,0.5,0.55,0.6,0.65,0.7,0.8},
    ytick={0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.225,0.25},
    legend pos=north west,
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=1.0pt,
    mark size=2.0pt,
]

    \addplot[
    color=blue,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
    (0,0)(0.2,0)(0.4,0)(0.5,0)(0.55,0.001)(0.6,0.008)(0.62,0.0192)(0.65,0.0568)(0.665,0.097)(0.672,0.128)(0.686,0.22)
    };
    \addlegendentry{$U_{CE}=\{1,2\}V$}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Vstupní charakteristika NPN tranzistoru}
\end{figure}

\newpage

\section{Měření převodové charakteristiky bipolárního tranzistoru}
\subsection{Postup měření}
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
    \item Zapojíme elektrický obvod podle schématu zapojení.
    \item Proměnný rezistor R nastavíme na hodnotu větší než je $R_{Min}$.
    \item Na stejnosměrném zdroji $Z_1$ nastavíme 1V abychom docílili plného otevření
        tranzistoru. Poté na voltmetru $V_2$ nastavíme postupnou změnou odporu
        proměnného rezistoru napětí $U_{CE}$ = 1V.
    \item Na zdroji $Z_1$ budeme měnit napětí od 0 do 1V. Kroky, po kterých měníme napětí,
        volíme vhodně – kolem hodnoty 0,7V bude docházet k největším změnám proudů
        protože se začne tranzistor otevírat, tj. kolem této hodnoty provedeme větší počet měření.
    \item Měření provedeme pro napětí $U_{CE}$ = 1V, 2V.
    \item Naměřené hodnoty proudů $I_C$ a $I_B$ zapisujeme do tabulky ze které se vytvoří graf
        (převodová charakteristika).
\end{enumerate}

\newpage
\subsection{Tabulka}
\begin{table}[!hbt]
\centering
\begin{tabular}{||c|c||}
 \hline
 \[\textbf{I_b [${\mu}A]$}\] & \[\textbf{I_{c_{\{1,2\}}} [mA]}\] \\
 \hline\hline
 0 & 0 \\
 2 & 0.3 \\
 4 & 0.6 \\
 8 & 1.2 \\
 11 & 1.65 \\
 13 & 1.95 \\
 15 & 2.25 \\
 16 & 2.4 \\
 21 & 3.15 \\
 25 & 3.75 \\
 31 & 4.65 \\
 35 & 5.25 \\
 37 & 5.55 \\
 40 & 6 \\
 50 & 7.5 \\
 \hline
\end{tabular}
\caption{Převodová charakteristika}
\label{tableprev}
\end{table}

\subsection{Graf}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={$I_b$ [{\textmu}A]},
    ylabel={$I_C$ [mA]},
    xmin=0, xmax=60,
    ymin=0, ymax=8,
    xtick={0,10,20,30,40,50},
    ytick={0,1,2,3,4,5,6,7,7.5,8},
    legend pos=south east,
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=1.0pt,
    mark size=2.0pt,
]

    \addplot[
    color=pink,
    solid,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
        (0,0)(2,0.3)(4,0.6)(8,1.2)(11,1.65)(13,1.95)(15,2.25)(16,2.4)(21,3.15)(25,3.75)(31,4.65)(35,5.25)(37,5.55)(40,6)(50,7.5)
    };
    \addlegendentry{$U_{CE}=\{1,2\}V$}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Přechodová charakteristika NPN tranzistoru}
\end{figure}

\newpage

\section{Měření výstupní charakteristiky bipolárního tranzistoru}
\subsection{Postup měření}
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
    \item Zapojíme elektrický obvod podle schématu zapojení.
    \item Na stejnosměrném zdroji $Z_1$ nastavíme takové napětí, abychom na ampérmetru $A_1$
    naměřili bázový proud $I_B$ = 20{\textmu}A. Odpor nastavíme na $999\Omega$.
\item Na proměnném rezistoru měníme odpor od $999\Omega$ do $200\Omega$. Celé měření
    kontrolujeme proudu $I_B$ a odchylky od přednastavené hodnoty dolaďujeme.
\item Měření provedeme pro proud bází $I_B$ = 20{\textmu}A, 40{\textmu}A.
\item Naměřené hodnoty napětí $U_{CE}$ a proudu $I_C$ zapisujeme do tabulky ze které se
    vytvoří graf (výstupní charakteristika).
\end{enumerate}

\newpage
\subsection{Tabulka}
\begin{table}[!hbt]
\centering
\begin{tabular}{||c|cc||}
 \hline
 \[\textbf{U_{CE} [V]}\] & \[\textbf{I_{c_1} [mA]}\] & \[\textbf{I_{c_2} [mA]}\] \\
 \hline\hline
 0 & 0 & 0 \\
 0.05 & 0.093 & 0.188 \\
 0.1 & 0.694 & 1.388 \\
 0.15 & 2.05 & 4.1 \\
 0.2 & 2.812 & 5.625 \\
 0.25 & 2.971 & 5.943 \\
 0.275 & 2.989 & 5.978 \\
 0.3 & 2.996 & 5.992 \\
 0.4 & 3 & 6 \\
 1 & 3 & 6 \\
 2 & 3 & 6 \\
 \hline
\end{tabular}
\caption{Výstupní charakteristika}
\label{tablevystupni}
\end{table}

\subsection{Graf}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={$U_{CE}$ [V]},
    ylabel={$I_c$ [mA]},
    xmin=0, xmax=2.5,
    ymin=0, ymax=7,
    xtick={0,0.15,0.3,0.5,1,1.5,2,2.5},
    ytick={0,1,2,3,4,5,6,7},
    legend pos=south east,
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=1.0pt,
    mark size=2.0pt,
]

    \addplot[
    color=purple,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
    (0,0)(0.05,0.093)(0.1,0.694)(0.15,2.05)(0.2,2.812)(0.25,2.971)(0.275,2.989)(0.3,2.996)(0.4,3)(1,3)(2,3)
    };
    \addlegendentry{$I_b$ = 20{\textmu}A}
    \addplot[
    color=cyan,
    dotted,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
    (0,0)(0.05,0.188)(0.1,1.338)(0.15,4.1)(0.2,5.625)(0.25,5.943)(0.275,5.978)(0.3,5.992)(0.4,6)(1,6)(2,6)
    };
    \addlegendentry{$I_b$ = 40{\textmu}A}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Výstupní charakteristika NPN tranzistoru}
\end{figure}

\newpage

\section{Zapojení bipolárního tranzistoru ve funkci spínače}
\subsection{Schéma zapojení}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\includegraphics[width=0.65\textwidth]{gspinac}
\caption{Zapojení pro bipolární tranzistor ve funkci spínače}
\label{spinac}
\end{figure}

\subsection{Postup měření}
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
    \item Zapojíme elektrický obvod podle schématu zapojení.
    \item Hodnotu proměnného rezistoru $R_P$ snižujeme od nejvyšší hodnoty tak dlouho,
        dokud nezačne dioda jasně svítit. Spínací funkci tranzistoru ověříme propojením
        svorek „a“ a „b“ drátovou propojku - dioda zhasne, neboť mezi bází a emitorem
        zanikne potřebný rozdíl potenciálu a tranzistor se uzavře.
\end{enumerate}

\newpage
\subsection{Tabulka}
\begin{table}[!hbt]
\centering
\begin{tabular}{||c|c||}
 \hline
 \[\textbf{R_b [k$\Omega]$}\] & \[\textbf{I_c [mA]}\] \\
 \hline\hline
 1000 & 0.662 \\
 900 & 0.735 \\
 800 & 0.826 \\
 700 & 0.944 \\
 600 & 1.1 \\
 500 & 1.3 \\
 400 & 1.647 \\
 300 & 2.192 \\
 220 & 2.984 \\
 200 & 3.28 \\
 100 & 6.534 \\
 1 & 9.498 \\
 \hline
\end{tabular}
\caption{Bipolární tranzistor ve funkci spínače}
\label{tablespinac}
\end{table}

\subsection{Graf}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={$R_{b}$ [k$\Omega$]},
    ylabel={$I_c$ [mA]},
    xmin=0, xmax=1200,
    ymin=0, ymax=10,
    xtick={0,200,400,600,800,1000,1200},
    ytick={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10},
    legend pos=north east,
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=1.0pt,
    mark size=2.0pt,
]

    \addplot[
    color=black,
    dotted,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
        (1,9.498)(100,6.534)(200,3.28)(220,2.984)(300,2.192)(400,1.647)(500,1.3)(600,1.1)(700,0.944)(800,0.826)(900,0.735)(1000,0.662)
    };
    \addlegendentry{Světelnost diody}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Graf světelnosti diody}
\end{figure}

\newpage

\section{Závěr}
V tomto úkolu jsme změřili vstupní, převodovou i výstupní charakteristiku bipolárního tranzistoru.
Pomocí naměřených hodnot jsme ověřili chování bipolárního tranzistoru ve funkci spínače.

\end{document}