Unipolární tranzistor aplikace

Transkript

1 Unipolární tranzistor aplikace Návod k praktickému cvičení z předmětu A4B34EM 1 Cíl měření Účelem tohoto měření je seznámení se s funkcí a aplikacemi unipolárních tranzistorů. Během tohoto měření si prakticky vyzkoušíte jeden z druhů unipolárních tranzistorů, tranzistor typu MOSFET s indukovaným N kanálem. Zároveň máte možnost ověřit si průběhy napětí a proudu při spínání induktivní zátěže a seznámit se s funkcí spínaného napájecího zdroje, v němž je MOSFET tranzistor často využíván. 2 Příprava ke cvičení 3 Úkoly měření Prostudujte princip funkce unipolárních tranzistorů, jejich strukturu i možnosti aplikací. Seznamte se s průběhy napětí a proudu při spínání a vypínání induktivní zátěže. Seznamte se s činností spínaných zdrojů s indukčnostmi a s jejich principiálními zapojeními. Seznamte se se zapojením měřícího přípravku a s katalogovými parametry použitého tranzistoru. Na měřícím přípravku zapojte součástky pro spínání induktivní zátěže tranzistorem MOSFET a ověřte činnost zapojení. Při práci dodržujte pokyny cvičícího. Na osciloskopu zobrazte průběh řídícího napětí tranzistoru U GS a odečtěte hodnotu prahového napětí U GS(th). Na osciloskopu zobrazte průběh vstupního proudu hradla tranzistoru I G. Na osciloskopu zobrazte průběh výstupního napětí tranzistoru U DS. Zapojte a ověřte funkci zvyšujícího spínaného napájecího zdroje, změřte hodnotu výstupního napětí U 2. 4 Teoretická příprava 4.1 Měřící přípravek Přípravek, na kterém budeme provádět měření, obsahuje potřebné součástky nejen pro základní měření na NMOS tranzistoru, ale také pro jeho aplikace v podobě spínače indukčnosti nebo pro zkušební zapojení spínaného napájecího zdroje. Vývody součástek jsou připojeny ke zdířkám, které jsou dostupné na čelním panelu. Ke spojování součástek použijeme přiložených tenkých propojovacích vodičů, k připojení měřících přístrojů pak použijeme vodičů s konektory větší velikosti. K připojení osciloskopu použijeme přiložených sond. Obrázek 1 - Měřící přípravek

2 4.2 Tranzistor použitý v zapojení Při měření bude použit tranzistor typu IRF840, jedná se o výkonový spínací FET tranzistor s indukovaným kanálem vodivosti N. Tyto tranzistory se většinou označují jako N MOSFET nebo zkráceně NMOS. Jeho základní parametry odečteme z katalogového listu výrobce. Obrázek 2 - Základní katalogové parametry Použitý tranzistor je pro danou aplikaci dostatečně výkonný, vyznačuje se velkým propustným proudem kanálu (I D = 8 A) a také značnou napěťovou odolností ve vypnutém stavu (V DS = 500 V). Pokud dodržíme napájecí napětí 15 V, nemusíme se v našem zapojení bát jeho zničení. 4.3 Tranzistor jako spínač induktivní zátěže Tranzistor ve funkci spínače má za úkol velmi rychle přecházet z nevodivého stavu do plně vodivého a zpět. Aby tuto náhlou změnu pracovního bodu mohl kvalitně provádět, je potřeba jej budit příslušným napětím U GS, které je výrazně vyšší, než je prahové napětí U GS(th). Při spínání unipolárního tranzistoru však také potřebujeme velmi rychle nabít kapacitu hradla poměrně velkým proudem. Z těchto požadavků pak vychází nároky na budící obvod tranzistoru. Zde je potřeba obdélníkového signálu s poměrně ostrou hranou a napětím měnícím se od 0 V po cca 10 až 15 V. K tomuto účelu je do měřícího přípravku vřazen tvarovač signálu. Schéma na obrázku 3, které bude použito při měření, obsahuje dále rezistory R G, R S a také toroidní tlumivku L Z. Rezistor R S slouží pouze ke snímání proudu a jeho hodnota je stanovena tak, aby úbytek napětí ve voltech měl stejné měřítko jako procházející proud v ampérech. Rezistor R G pak slouží pro úmyslné zhoršení kvality tvarovače tak abychom si mohli lépe prohlédnout průběhy napětí a proudu v obvodu. Jelikož se jedná spíše o parazitní součástku, nebyl by v praxi použit. Obrázek 3 - Spínání induktivní zátěže Problém v našem obvodu nastává právě díky indukčnosti L Z. Ta při spínání a vypínání tranzistoru způsobuje přechodové jevy, které značně deformují předpokládané průběhy obvodových veličin. Spínání induktivní zátěže můžeme rozdělit na jednotlivé fáze, viz obrázek 4.

3 Obrázek 4 - průběh spínání induktivní zátěže Vypnutý stav (1) Na hradle tranzistoru je nulové napětí, tranzistor je vypnutý a neprochází jím žádný proud, tudíž napětí U DS = U DD. Spínání (2) Po přivedení kladného napětí U GS začne proud I G nabíjet hradlovou kapacitu a po překročení prahového napětí U GS(th) je tranzistor uváděn do vodivého stavu. To se projeví nárůstem proudu zátěží a také poklesem napětí U DS. Obecně se indukčnost brání proudovým změnám, tudíž proud zátěží bude narůstat pomaleji. Vlivem změny kapacity hradla při dosažení prahového napětí se křivka U GS deformuje, a tudíž na úrovni prvního schodu můžeme odečíst prahové napětí tranzistoru U GS(th). Sepnutý stav (3) Indukčnost akumulovala energii ve formě magnetického pole a průtok proudu je tím v ustáleném stavu omezen převážně zatěžovacím rezistorem R Z. Vypínání (4) Vlivem akumulované energie v indukčnosti dochází při vypínání k překmitu napětí U DS. Cívka se brání změnám proudu a po čas vypínání se stává zdrojem energie, který je připojen sériově ke zdroji napájecího napětí. K omezení překmitu napětí U DS se používá různých druhů ochran. Tyto jsou užitečné v případě, že indukčnost zátěže je nechtěná, například při spínání relé nebo motorů. V případě, že je indukčnost zapojena záměrně, například u spínaných zdrojů, není možno ochran využít, ale je potřeba příslušně dimenzovat spínací tranzistor. 4.4 Spínaný napájecí zdroj s induktorem Jak již bylo uvedeno, jako jedna z typických aplikací, kde je využíváno převážně MOSFET tranzistorů, je spínaný napájecí zdroj. Tyto zdroje mají za úkol měnit velikost nebo polaritu napětí při zachování velmi vysoké účinnosti. Na obrázku 5 je uvedeno schéma zapojení jednoduchého zvyšujícího spínaného zdroje, který vzniknul úpravou předchozího zapojení. Napěťové překmity jsou sbírány rychlou diodou D a jejich energie je uchovávána v kondenzátoru C. Tím, že se indukované napětí cívky připojuje se stejnou polaritou do série s napájecím zdrojem, je dosaženo vyššího napětí na výstupu zdroje U 2, než je napětí na vstupu zdroje U DD. Obrázek 5 - Zapojení jednoduchého zvyšujícího spínaného zdroje

4 5 Praktická měření 5.1 Zobrazení průběhu řídícího napětí tranzistoru U GS Na použitém přípravku zapojte součástky podle schéma zapojení, které je uvedeno na obrázku 6. Jako rezistor R G vyberte hodnotu 1 kω, na místo rezistoru R Z pak hodnotu 100 Ω. Před připojením měřících přístrojů nastavte jejich měřící rozsahy na požadované hodnoty. Je vhodné začít vyšším rozsahem a teprve při měření jej zpřesňovat. Před připojením napájecího zdroje napřed nastavte požadovanou hodnotu výstupního napětí na 15 V a také omezení výstupního proudu na 500 ma. Tvarovač ke své činnosti potřebuje nezávislý napájecí zdroj 15 V. Z generátoru pouštějte do obvodu sinusový signál o frekvenci 10 khz, amplitudu signálu nastavte tak velikou, jak generátor umožňuje, ne však větší než 15 V PP. Na osciloskopu zobrazte průběh řídícího napětí tranzistoru U GS a odečtěte hodnotu prahového napětí U GS(th). Prohlédněte si také průběh proudu, který prochází kanálem tranzistoru a zátěží I D. Proud I D je měřen jako úbytek napětí na rezistoru R S, jelikož je jeho hodnota 1 Ω, je měřítko proudu v ampérech stejné jako měřítko napětí ve voltech, což nám ulehčuje odečet na osciloskopu. Obrázek 6 - Zapojení pro měření průběhu U GS a I D Odečtená hodnota prahového napětí U GS(th) = 5.2 Zobrazení průběhu vstupního proudu hradla tranzistoru I G Na zapojení podle obrázku 7 pro měření průběhu nabíjecího proudu kapacity hradla tranzistoru přejdeme jednoduše rozpojením obvodu se zátěží. Úbytek napětí na rezistoru R S se tím stal úměrný procházejícímu proudu I G a tím i snadno zobrazitelný na obrazovce osciloskopu. Obrázek 7 - Zapojení pro měření proudu hradla tranzistoru I G

5 5.3 Zobrazení průběhu výstupního napětí tranzistoru U DS Měřící přípravek zapojíme podle obrázku 8 tak abychom mohli zobrazit průběh napětí U DS. Vzhledem k velikosti proudu procházejícího zátěží můžeme zanedbat úbytek napětí na R S, zobrazený průběh je tedy průběhem napětí U DS. Ze zobrazeného průběhu určíme maximální hodnotu napětí U DS a tím i velikost překmitu tohoto napětí nad ustálenou hodnotu. Obrázek 8 - Zapojení pro měření úbytku napětí na spínacím tranzistoru U DS Nyní připojíme k cívce paralelně ochranou diodu D typu BY299, znovu zobrazíme průběh napětí U DS a změříme velikost překmitu tohoto napětí. Obrázek 9 - Zapojení pro měření napětí U DS se zapojenou ochranou diodou Bez ochranné diody U DS(pp) = S ochranou diodou U DS(pp) = 5.4 Ověření činnosti zvyšujícího spínaného napájecího zdroje Na použitém přípravku zapojte součástky podle schéma zapojení, které je uvedeno na obrázku 5. Jednoduchou úpravou jste tak dostali zvyšující spínaný napájecí zdroj. Jako blokovací diodu použijte opět rychlý typ křemíkové diody BY299. K výstupním svorkám zdroje připojte osciloskop a prohlédněte si průběh výstupního napětí sestaveného zdroje. Vyzkoušejte více kombinací výstupních kondenzátorů, můžete také zkusit měnit frekvenci generátoru. Pokuste se různými kombinacemi součástek i nastavení získat co nejvyšší výstupní napětí, tuto kombinaci poté zapište a porovnejte s ostatními skupinami. U DD = f = R G = L Z = R Z = C OUT = U 2 =