2-LC: Měření elektrických vlastností výkonových spínačů (I)

Transkript

1 2-LC: Měření elektrických vlastností výkonových spínačů (I) Cíl měření: Ověření a porovnání vlastností výkonových spínačů: BJT, MOSFET a tyristoru. Zkratování řídících vstupů Obr. 1 Přípravek pro měření transistorů Zadání: 1. a) Podle obr. 2 realizujte na nepájivém poli spínač s tranzistorem BC 635 (BC 639) s odporovou zátěží. Určete velikosti rezistoru R B pro různé proudy I B. Osciloskopem ověřte spínací vlastnosti tranzistoru. Změřte doby spínání a vypínání. b) Realizujte sepnutí tranzistoru v oblasti saturace, tj. U CE =U CESAT. Ověřte doby sepnutí a vypnutí a porovnejte s předchozím bodem. c) Ověřte vlastnosti tranzistoru přiložením vstupního pulsního napětí do minusových hodnot při vypínání (U in =-2.5 V). d) Podle obr. 4 realizujte BJT jako spínač s induktivní zátěží a dále podle obr. 5 realizujte BJT jako spínač s kapacitní zátěží. Osciloskopem zaznamenejte charakter napětí U CE a proudu I C a porovnejte výsledky s výsledky naměřenými v zapojení s odporovou zátěží. Charakterizujte, čím je proces spínání neodporové zátěže nebezpečný pro tranzistor. 2. a) Ověřte u předloženého vzorku MOSFET s kanálem N spínací vlastnosti a chování tranzistoru. Ověřte vliv vstupních kapacit tranzistoru. b) Změřte prahové napětí hradlo-emitor U GSth MOSFET tranzistorů (IRF 540, IRF 840, BUZ 71). Výsledky porovnejte a vyberte nejlepší a zdůvodněte.

2 c) Zaznamenejte spínací proces tranzistoru a definujte spínacími časy. Charakter křivky vysvětlete. d) Ověřte funkci tzv. Driveru při spínacím procesu a porovnejte proces spínání s driverem a bez. Použité přístroje: a) stabilizovaný zdroj DC napětí a proudu (MN 0-40 V/ 40 A); b) stejnosměrný voltmetr (C.A.5003; rozsahy: 100 mv; 1 V; 3 V); c) stejnosměrný ampérmetr (C.A.5003; rozsahy: 15 ma; 150 ma;1.5 A; 15 A); d) digitální osciloskop; e) proudová DC bezkontaktní sonda (f>10 MHz); f) proměnný odpor (100 Ω a 10 A); g) pulsní generátor (Agilent 33102A).

3 Postup měření Ad 1) a) Na obr. 2 bylo uvedeno zapojení s BJT, kde zátěž je tvořena rezistorem R C a sepnutí je dosaženo proudem I B. Vypočtěte velikost odporu R B pro různé proudy I B (1 ma, 40 ma) podle vztahu R B =(U IN -U BE )/I B. Napětí B-E a proudové zesílení h 21E odečtěte z charakteristiky tranzistoru z katalogu součástky. Sestavte obvod na nepájivém poli s příslušnými odpory R B a ověřte jeho spínací vlastnosti pro každý pracovní bod. Zaznamenejte doby spínání a vypínání osciloskopem. R C ON/OFF R B I B U CE U CC 0/5 V Obr. 2 BJT s odporovou zátěží b) Chceme-li transistor sepnou bezpečně (do saturace), abychom dosáhli v sepnutém stavu co nejnižších ztrát tj. U CE =U CESAT, volíme proud do báze pro jistotu větší (např. I B =3xI C /h 21E ), což se odrazí v úměrném snížení R B a pomalejším spínaní. Ověřte tento režim tranzistoru. c) Ověřte spínání tranzistoru přiložením pulsního napětí do minusových hodnot (U in =-2.5/ 5 V). Záporné hodnoty způsobují rychlejší odsání nosičů a proto se tohoto principu využívá pro spínání velkých výkonů pro zrychlení spínání. Pozn. Je vidět že použití BJT jako spínače vyžaduje velké řídící proudy, je dosaženo relativně malé rychlosti vypínání a proto raději jako spínač je používán tranzistor MOSFET. d) Na obr. 3 a 4 je BJT zapojen jako spínač s induktivní či kapacitní zátěží. Zde je mimo rychlosti sepnutí a rozepnutí důležité výkonové zatížení tranzistoru. Ověřte, že proces sepnutí i vypnutí tranzistoru probíhá mimo statickou přímku. Změřte napětí U CE a proud I C osciloskopem a charakterizujte, čím je tento proces nebezpečný pro tranzistor.

4 1uH 1Ω 1Ω R B 15 V R B 15 V 0/5 V 0/5 V 1uF Obr. 3 BJT s induktivní zátěží Obr. 4 BJT s kapacitní zátěží Ad 2) a) Na zdroji napětí nastavte 10 V a proudově jej omezte, pak sepněte tranzistor stejnosměrným napětím 0 až 15 V a ověřte jeho vlastnost sepnutí a vliv vstupních kapacit tranzistoru podle Obr. 5. D C 0-15 V ON/OFF 10 V s proudovým omezením G RG R1 CGD C0 CGS C1 Repi R2 CDS C2 E S Obr. 5 Sepnutí tranzistoru MOSFET stejnosměrným napětím a vlastní kapacity MOSFET b) Prahové napětí hradlo-emitor U GSth změřte podle obr. 6 u tranzistorů IRF 540, IRF 840, BUZ 71 při daném I C. Proud IC pro každý typ tranzistoru odečtěte z katalogu součástky (např. pro IRF540N 250uA). 1kΩ V 0-20 V A Obr. 6 Zapojení pro určení prahového napětí

5 c) Spínací proces tranzistoru, který je charakterizován zejména spínacími časy, změřte podle obr. 7 oscilokopem. Charakter křivky vysvětlete. Proč je důležitý odpor 50 Ω u generátoru? 10 Ω I L 50 Ω U DS 0-20 V U GS Obr. 7 Zapojení pracoviště pro záznam spínacího procesu d) Ověření funkce tzv. Driveru při spínacím procesu ověřte stejně jako v předchozím případě na spínacím procesu tranzistoru. Výsledky porovnejte. Použijte driver firmy Semikron SKHI22BH a využijte pouze výstupů pro první tranzistor. Seznamte se blíže s katalogovým listem driveru. 10 Ω I L Driver C +Ucc 50 Ω Driver U GS U DS 0-20 V 1 2 AMP R0 Q1 Q2 D3 G E -UCC Rg Spínač Obr. 8 Spínaní Mosfetu s Driverem

6 Zpracování výsledků Výsledky měření zpracujte na PC a vytiskněte. V textové části zhodnocení výsledků porovnejte a vyhodnoťte na základě naměřených vlastností a porovnejte jednotlivé spínače. Určete k jakému účelu jsou vhodné použít. Požadavky na domácí přípravu: 1. Připravte si způsob a postup měření. 2. Na internetu nalezněte a vytiskněte jednotlivé katalogové listy k uvedeným prvkům.