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 RB pro různé proudy IB. Osciloskopem ověřte spínací vlastnosti tranzistoru.
Změřte doby spínání a
vypínání. b) Realizujte sepnutí tranzistoru v oblasti saturace, tj. UCE=UCESAT. Ověřte doby sepnutí a vypnutí a porovnejte s předchozím bodem. c) Ověřte vlastnosti tranzistoru přiložením vstupního pulsního napětí do minusových hodnot při vypínání (Uin=-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 UCE a proudu IC 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 UGSth MOSFET tranzistorů (IRF 540, IRF 840, BUZ 71). Výsledky porovnejte a vyberte nejlepší a zdůvodněte.
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).
Postup měření Ad 1) a) Na obr. 2 bylo uvedeno zapojení s BJT, kde zátěž je tvořena rezistorem RC a sepnutí je dosaženo proudem IB. Vypočtěte velikost odporu RB pro různé proudy IB (1 mA, 40 mA) podle vztahu RB=(UIN-UBE)/IB. Napětí B-E a proudové zesílení h21E odečtěte z charakteristiky tranzistoru z katalogu součástky. Sestavte obvod na nepájivém poli s příslušnými odpory RB a ověřte jeho spínací vlastnosti pro každý pracovní bod. Zaznamenejte doby spínání a vypínání osciloskopem. ON/OFF
RC
RB
UCC
IB UCE
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. UCE=UCESAT, volíme proud do báze pro jistotu větší (např. IB=3xIC/h21E), což se odrazí v úměrném snížení RB a pomalejším spínaní. Ověřte tento režim tranzistoru.
c) Ověřte spínání tranzistoru přiložením pulsního napětí do minusových hodnot (Uin=-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 UCE a proud IC osciloskopem a charakterizujte, čím je tento proces nebezpečný pro tranzistor.
1uH
1Ω
1Ω 15 V
15 V RB 0/5 V
RB 1uF
0/5 V
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. C D
R epi R2
ON/OFF 10 V s proudovým omezením
G
R R1 G
CC0 GD
C DS C2
CC1 GS
0-15 V
E S
Obr. 5 Sepnutí tranzistoru MOSFET stejnosměrným napětím a vlastní kapacity MOSFET
b) Prahové napětí hradlo-emitor UGSth změřte podle obr. 6 u tranzistorů IRF 540, IRF 840, BUZ 71 při daném IC. 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
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
50 Ω
IL
UDS
0-20 V
UGS
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
Driver
IL
C +Ucc R0 Q1
50 Ω
Driver
UDS UGS
1
0-20 V 2
Obr. 8 Spínaní Mosfetu s Driverem
Q2
Spínač
G
AMP E D3
-UCC
Rg
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.
