1. 실험 제목3-1. 트랜지스터 특성 및 LED회로3-2. Op Amp digital 회로2. 실험준비물3-1. 10㏀ 100㏀ 저항 각 1개2N3904 transistor 1개, 2N5458 transistor 1개Digital multimeter, Three-wire current-voltage analyzer, Variable power source.3-2. 1.0㏀, 10㏀, 100㏀ 저항741 Op-ampDigital multimeter, Function generator, Oscilloscope.4. 실험방법 및 결과3-1. 트랜지스터 특성 및 LED 회로1. 2N3904 트랜지스터의 특성곡선을 측정해보자. DMM/Impedance analyzer의 base단자에 트랜지스터의 base단자를, out+단자에는 트랜지스터의 collect단자를 그리고 out- 단자에는 트랜지스터의 emitter단자를 연결한다.2.Three-wire current-voltage analyzer를 실행하고, NPN transitor 모드를 선택한다. Vc start는 0V, Vc stop은 2V 그리고 Vc step은 0.1V로 설정한다. Ic limit은 40mA로 한다.3.Ib start는 1㎂로 하고, Ib step은 3㎂로 한다. Number of curve는 5으로 설정한다. 그러면 Ib값이 1, 4, 7, 10, 13 ㎂에 대해서 collector와 emitter사이의 전류 변화를 측정할 수 있다.4. 실행을 눌러 2N3904 트랜지스터의 특성 곡선을 얻는다. 얻은 특성 곡선을 아래에 그려보아라.5. 2N3904의 collector와 emitter사이에 전류를 흐르게 하거나, 흐르지 않게 하려면 어떻게 해야 하는지 측정한 그래프를 기반으로 생각해보고 정리해보자.6. 이제 조금 다른 type의 2N5458 트랜지스터의 특성 곡선을 측정해보자.7. DMM/Impedance anaylzer의 out+단자는 2N5458의 drain단자에 연결하고, out-단자는 source에 연결한다. 2N5458의 gate단자에는 10㏀의 저항을 연결한고, 저항은 다시 variable power source의 negative voltage(supply y-)에 연결한다.8. Two-wire current-voltage analyzer를 실행시킨다.9. Variable power source에서 ?4V의 전압을 가한다. 이때, Two-wire current-voltage analyzer에서 Voltage sweep start는 0V로, increment는 0.25V로 그리고 Stop은 10V로 설정한다. Current limits의 negative는 ?40㎃로 하고, positive는 40㎃로 한다.10. Two-wire current-voltage analyzer에서 run을 눌러 나오는 곡선을 관찰한다. 측정된 곡선의 각점의 voltage와 current의 값을 기록하고 아래 공란에 그림을 그려라.11. Variable power source의 전압을 ?1, 1, 4, 7, 10V로 바꾸어가며 순서 9,10을 반복하여 실행하고 측정된 곡선을 아래 공란에 추가하여 그림을 그려라. (VPS에서 positive를 적용하려면 단자를 바꿔야 함을 주의하자.)(-1v 일 때 사진)12. 이제 트랜지스터를 스위치로 사용하는 간단한 LED회로를 만들어보자.13. 아래 그림과 같은 회로를 구성한다. 전류계는 무시해도 되며, Gate전극에 variable power를 연결 할 것이다.14. 회로에서 2N5458 트랜지스터의 gate단자는 variable power source의 ?supply단자에 연결하고, source단자는 ground에 연결한다. 트랜지스터의 drain단자에는 LED를 연결한 후, LED의 나머지 단자를 variable power source의 +supply 단자에 연결한다.15. 이제 gate전압을 0V로 하고, drain의 전압을 0V부터 시작하여 1V간격으로 5V까지 올려본다. 이때의 LED를 관찰해보자.16. 이번에는 drain 전압을 3V로 고정하고, gate전압을 0V부터 시작하여 1V간격으로 ?5V까지 변화시켜가며 LED를 관찰한다.3-2 Op Amp digital 회로1. 아래 그림 4와 같은 회로를 구성한다. 여기서 Ri는 10㏀을 사용한다. Rf가 1㏀, 10㏀ 그리고 100㏀일 때의 회로의 Gain값을 계산하여 구하고, 아래 표에 기록한다.1㏀10㏀100㏀-0.1-1-102. Rf를 1㏀으로 한다.3. Op amp의 4번, 7번 단자에 각각 ?15V, +15V DC power를 연결한다. 부호가 바뀌지 않도록 주의 한다.4. Vinput에 Function generator를 연결하고 3번 단자에는 ground를 연결한다.5. Function generator를 이용하여 peak to peak voltage가 0.2V이고 frequency가 1㎑ 인 sin파를 발생시킨다.6. Oscilloscope를 이용하여 input signal이 맞게 나오고 있는지 확인한다.7. 이제 Oscilloscope를 이용하여 회로의 output 단자를 측정하여 나오는 파의 모양을 관찰한다.sin파가 관찰 된다.8. Oscilloscope를 이용하여 측정된 output신호의 peak to peak voltage값을 구하여라. (25㎃)9. Rf를 10㏀, 100㏀으로 바꾸어 순서 7,8을 반복하여 관찰하고 peak to peak voltage값을 구하여라.Rf=10㏀200㎷Rf=100㏀2V10. 순서 1에서 계산한 gain값과 일치하는지 확인한다.11. Oscilloscope의 2개의 channel을 동시에 연결하여 input signal과 output signal의 부호가 바뀌었는지를 확인해본다.12. 이제 두 개의 invert amplifier회로를 이용하여 peak to peak voltage가 2V이고, frequency가 200㎐인 sin파의 input 신호를 같은 부호의 20㎷ sin파가 최종 output 신호로 나오도록 회로를 구성해보자. 두 회로 모두 Ri는 10㏀, Rf는 1㏀으로 한다.13. Invert amplifier회로의 output 신호를 또 다른 Invert amplifier회로의 input단자에 넣어 최초 input signal의 1/100의 gain을 갖도록 회로를 구성하고 결과를 확인하여라. Function generator를 이용하여 peak to peak voltage가 2V이고, frequency가 200㎐인 sin파를 input 신호로 사용하여라.14, Oscilloscope의 두 단자를 사용하여 구성한 회로의 input 신호와 최종 output신호가 같은 부호임을 확인해보고 관찰결과를 아래 표에 기록한다.5. Discussion3-1-5. 입력 전압을 조정하여 입력 전류를 1㎂에서 3㎂만큼 증가시켜 5개의 그래프를 출력하였다. 전압이 증가할수록 전류가 증가한다. 입력 전류를 증가시키는 동안 출력 전압은 일정하게 유지된다. 이것으로 보아 베이스에서 이미터로 적은 양의 전류를 흐르게 하면 컬렉터에서 이미터로 많은 양의 전류가 흐른다. 또한 이미터에서 베이스로 전류를 차단하면 이미터에서 컬렉터로 흐르는 전류가 차단될 것으로 예상한다.
Post-Report1. Subject :쿨롱의 법칙 실험2. Object :쿨롱의 법칙(Coulomb’s law)은 사를 드 쿨롱이 발견한 법칙으로써 금속공과 비틀림 저울을 이용한 두 점전하 사이에 작용하는 힘을 측정하여 발견하다. 이 쿨롱의 법칙을 일정한 전하로 대전되어 있는 두 도체판 사이에 작용하는 힘을 측 정하여 쿨롱의 법칙을 간접적으로 확인한다.3. Date :2018.09.204. ResultA. 일정한 극판 사이의 거리를 유지하며 극판 사이의 전압의 함수로 힘 측정횟 수극판 사이의 거리극판 사이의 전압 조정에 따른 질량 변화2 KV4 KV6 KV8 KV10 KV12 KV11.0 cm-0.18-0.73-1.6-2.96-4.62-6.5021.5 cm-0.09-0.36-0.79-1.43-2.23-3.1832.0 cm-0.065-0.250-0.54-1.00-1.52-2.2442.5 cm-0.035-0.14-0.315-0.58-0.90-1.32F= {epsilon _{0}AV^2} over 2d^2epsilon_0 = 8.85*10^-12 C^2 N·m^2횟 수극판 사이의 거리극판 사이의 전압 조정에 따른 힘 변화 2 KV4 KV6 KV8 KV10 KV12 KV11.0 cm0.00316830.01267320.02851470.05069280.07920750.114058821.5 cm0.0014087520.0056350.0126790.022540.0352190.05071532.0 cm0.0007924230.003170.0071320.0126790.0198110.02852742.5 cm0.0005071510.0020290.0045640.0081140.0126790.018257 F=mg횟 수극판 사이의 거리극판 사이의 전압 조정에 따른 힘 변화 2 KV4 KV6 KV8 KV10 KV12 KV11.0 cm0.0017640.0071540.015680.0290080.0452760.063721.5 cm0.0008820.0035280.0077420.0140140.0218540.03116432.0 cm0.0006370.002450.0052920.00980.0148960.02195242.5 cm0.0003430.0013720.0030870.0056840.008820.012936횟 수극판 사이의 거리오차율 2 KV4 KV6 KV8 KV10 KV12 KV11.0 cm44.32345421843.5501688645.01081898142.77688350242.83874633144.15161302821.5 cm37.39139323337.39130434838.93840208237.82608695737.94826656138.55072463832.0 cm19.61364069422.71293375425.79921480722.70683807924.80944929623.04834016942.5 cm32.36728311732.38048299732.3619631929.94823761430.43615427129.1449854851. 거리에 따른 F의 변화를 관찰하고 각 실험 데이터를 그래프로 그리시오. (가로 축의 데이터 비교)2. 전압에 따른 F의 변화를 관찰하고 각 실험 데이터를 그래프로 그리시오. (세로 축의 데이터 비교)※ 이론값, 실험값 계산이론값 :F= {epsilon _{0}AV^2} over 2d^2epsilon _{0} =8.85*10 ^{-12} C ^{2} /(N·m ^{2} ), A는 금속판의 단면적, V는 전압, d는 금속판 간격실험값 : F=mg m은 저울의 측정량 (단위: kg), g는 9.80 m/s25. Discussion:이번 실험은 쿨롱의 법칙 실험으로 두 전하의 크기에 비례하고 두 전하사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 나타나는 쿨롱의 법칙을 이해하는 것이 목적이었다. 실험의 방법을 간단하게 말하자면, 직류 고압 전원장치의 전압을 2KV부터 2KV씩 12KV까지 늘릴때 마다 쿨롱장치의 두 극판 사이의 거리를 1.0cm부터 0.5cm씩 2.5cm까지 늘려가며 조정하여 측정되는 질량을 구한다. 그 후, F=mg 값에 대입하여 힘 F를 측정하여, 실험값과 이론값 (F = {epsilon _0 A V^2 }over 2d^2)이 얼마나 차이가 나는지 오차를 비교해보는 실험 이었다.실험의 포인트는 전압과 극판 사이의 거리를 바꿔가면서 이것이 힘에 미치는 영향을 살펴보는 것이었기 때문에 힘은 전압의 제곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하도록 그래프가 그려져야 했다. 실험 결과 그래프를 봐서도 알 수 있듯이 극판 사이의 거리가 가까울수록 전압이 커짐에 따라 두드러지게 무게가 크게 나왔다. 이는 이론값 F의 식인 극판 사이 거리의 제곱에 반비례함과 맞아떨어졌다. 또, 극판 사이의 거리에 일정할 때 전압이 커질수록 힘이 크게 나왔다. 이도 역시 이론값의 식으로 설명할 수 있다. 하지만, 두 그래프 모두 각각 전압이 일정할 때, 거리가 일정할 때를 보았을 때 이차함수 꼴의 그래프가 그려져야 한다. 하지만, 구간이 연속적이지 않음을 감안해보아도 오차가 발생했음을 알 수 있다.(오차의 원인은 아래에서 살펴 볼 예정이다.) 결과적으로 극판사이의 거리가 2.5cm이고 전압이 제일 작을 때가 가장 힘이 적게 나오고, 극판 사이의 거리가 가장 작고 전압이 가장 클 때가 가장 실험값, 이론값에서 힘이 크게 나온다는 것을 알 수 있었다.실험 결과를 보면 이론값과 실험값은 다소 차이를 보인다. 오차가 발생한 주요 원인 몇 가지를 생각해 보았다. 우선 저울이 매우 민감해 책상이 살짝 흔들리기만 해도 무게가 변했다. 실험을 할 때, 저울의 수평을 맞춘 뒤에 전극판을 올리고 양 전극판의 수평이 맞는지 확인 한 뒤에 전자저울의 용기버튼을 누른다. 그러면 0.00g으로 맞춰져야 되는데 저울이 민감해서 자꾸 수치가 바뀌고 0.00g이 나오지 않았다. 또, 전압을 일정한 값으로 설정했을 때도 무게가 계속 변했다. 그리고 유리로 저울 앞을 막아 바람이 들어오는 것과 전압이 퍼지는 것을 막긴 했지만 상황이 완전히 제어되지 않았기 때문에 무게를 완전히 정확하게 잴 수 없었던 것이 오차의 원인이다. 또, 극판 사이의 거리를 잴 때 오차가 조금 발생했다는 것도 하나의 원인이다. 극판사이의 거리를 우리가 실험하면서 조정해야했는데, 사람이 실험하는 것이기 때문에 완전히 정확하게 잴 수 없었기 때문이다. 또, 조교님께서 길이를 바꿀 때 마다 접지를 하라고 하셨는데, 길이를 바꿀 때마다 접지를 했음에도 불구하고 접지가 제대로 되지 않았을 수도 있다. 다음과 같이 오차의 원인을 살펴보았는데, 무엇보다도 가장 큰 오차의 원인은 측정을 하면서 발생하는 오차라고 생각이 된다. 이번 실험은 예비 발표를 준비하면서 다른 실험보다 실험 방법과 장치들에 대해 열심히 공부했음에도 불구하고, 이전의 실험들보다 오차가 크게 발생했다. 이론상으로는 실험에 대해 대부분 안다고 생각했지만, 막상 실험을 하다 보니 오차가 크게 발생해서 많이 아쉬움이 남는다. 다음 실험 때는 실험에 대해서 더 열심히 공부하고, 섬세한 측정으로 이런 오차들을 보완해서 실험을 하고 싶다.
기초신소재 트랜지스터 특성 레포트
