LABORATORIUM ELEKTRONIKI
	AGH	Wydział: Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki.	Rok: II 2006/07	Grupa: 3
Tytuł ćwiczenia: KLUCZE TRANZYSTOROWE SPRAWOZDANIE			Zespół I: Hałat Zbigniew Klimasz Cezary

SPIS TREŚCI

1. Cel ćwiczenia	str. 2
2. Opracowanie wyników.	str. 2
Klucz bipolarny (symulacja i pomiary)	str. 2
SYMULACJA
- charakterystyka wyjściowa	str. 2
- wpływ wartości elementów na jakość klucza	str.3
- tabela pomiarów symulacji	str. 3
- wnioski symulacyjne	str. 3, 4
POMIARY
- schemat pomiarowy	str. 5
- wyniki pomiarów	str. 5
- wykresy symulacyjne do założeń pomiarowych	str. 6
- zastosowanie klucza npn do sterowania przekaźnikiem	str. 6
- przebiegi napięć	str. 7
Klucz unipolarny MOS (symulacja i pomiary)
SYMULACJA
- charakterystyka wyjściowa	str. 8
- charakterystyka przejściowa	str. 9
- wpływ wartości elementów na prace klucza (OS)	str. 9
- tabela pomiarów symulacji	str. 11
- wnioski symulacyjne	str. 11
POMIARY
- schemat pomiarowy	str. 12
- pomiar parametrów klucza na tranzystorze IRF540	str. 12
- symulacja układu pomiarowego	str. 12
3. Podsumowanie wniosków	str. 12, 13
4. Wyniki pomiarów

1. Cel ćwiczenia

Tranzystor może zostać wykorzystany jako półprzewodnikowy element przełączający. Celem niniejszego ćwiczenia było zapoznanie się z podstawowymi układami przełączającymi oraz z ich parametrami. Badaniom poddano tranzystor NPN (BC237) oraz NMOS (IRF540). Zwrócono uwagę na charakterystyki wyjściowe oraz przejściowe tychże tranzystorów. Pomiary obejmowały parametry katalogowe kluczy tranzystorowych takich jak: czas opóźnienia, narastania, magazynowania i opadania. Dokonano analizy wpływu elementów na szybkość działania kluczy. Symulacje przeprowadzano w programie Multisim2001.

2. Opracowanie wyników

KLUCZ BIPOLARNY NPN (symulacja)

- charakterystyka wyjściowa I_C = f(U_CE)_IB=const (tranzystor bipolarny)

Badaniom poddano tranzystor 2N2222A. Prąd bazy I_B regulowano w zakresie 0÷17,5mA (z krokiem co 2,5mA).

Napięcie U_CE zmienia się od 0 do 20V. Prąd kolektora generowany narastającym prądem bazy, zmieniał się od 0 do prawie 300mA. Na charakterystyce zaznaczono 3 zakresy pracy tranzystora: zakres nasycenia, zakres pracy aktywnej oraz zakres odcięcia. Kluczowanie tranzystora polega na możliwie szybkim przejściu tranzystora ze stanu odcięcia do stanu nasycenia i odwrotnie.

Spadek napięcia w stanie nasycenia wynosi ok. 0,2V, zaś dla zakresu odcięcia prąd kolektora jest równy 0.

- wpływ wartości elementów na jakość klucza (symulacja)

Analizie poddano poniższy schemat symulacyjny w celu zobrazowania wpływu elementów na szybkość włączania i wyłączania klucza tranzystorowego.

schemat symulacyjny (klucz NPN)

Za pomocą 3 przełączników (J1, J2, J3) zmieniano wartości rezystancji i pojemności. Poniżej umieszczono tabelę wyników symulacji.

Tabela wyników (klucz NPN - symulacja)

Lp.	Kombinacja			Czas włączania tON	Czas wyłączania tOFF
		J1	J2			J3
1	1kΩ	150pF	20kΩ	432,6 ps	382,7 ns
2	15kΩ	20pF	1kΩ	1 ns	9,7 ns
3	1kΩ	20pF	20kΩ	979 ps	464,6 ns
4	15kΩ	150pF	1kΩ	439,2 ps	9,7 ns
5	1kΩ	20pF	1kΩ	1 ns	381,1 ns
6	15kΩ	150pF	20kΩ	438 ps	201,6 ns
7	1kΩ	150pF	1kΩ	437,2 ps	95, 6 ns
8	15kΩ	20pF	20kΩ	994 ps	216,5 ns

Jak widać w wyniku pomiarów otrzymano 8 różnych kombinacji. Widać, że elementy mają istotny wpływ na parametry klucza.

Czas włączania t_ON

Na czas włączania klucza wpływ ma kondensator C₁ pracujący jako pojemność przyśpieszająca. Im wyższa pojemność tym szybciej załącza się klucz.

Czas wyłączania t_OFF

Na czas wyłączania klucza ma wpływ rezystancja w obwodzie kolektora R_C, reprezentowana przez załącznik J3. Im wyższa rezystancja tym klucz wolniej się wyłącza. Pojemność przyspieszająca C również ma wpływ na czas wyłączania. Im wyższa pojemność tym czas krótszy wyłączania. R_B też wpływa na szybkość wyłączania. Im większa wartość R_B tym mniejszy czas wyłączania.

Z przeprowadzonej analizy wynika jednoznacznie, że pojemność C - pojemność przyspieszająca znacząco wpływa na szybkość działania klucza tranzystorowego. Praktycznie stosuje się pojemności od kilku do kilkunastu pF, które bocznikują rezystancję obwodu bazy. Kondensator sprawił, że zbocza przebiegu napięcia się wyostrzyły - klucz szybciej się przełącza.

Widoczna jest sytuacja, że t_ON<<t_OFF . Dla przełączania tranzystora bipolarnego oznacza to przełączanie małym lub zerowym napięciem włączającym -E_R.

Z symulacji otrzymano poniższe przebiegi napięć, z których odczytano czasy przełączania.

Przebiegi te ilustrują odczyt czasów dla kombinacji nr 1 (tj. J1=1kΩ, J2=150pF, J3=20kΩ).

Wartości określające np. koniec czasu t_d i t_r są wartościami praktycznymi. Przy wykresie załączania klucza widać, że czas załączania był na tyle mały, że nastąpiło rozciągnięcie generowanego sygnału prostokątnego.

POMIARY KLUCZA BIPOLARNEGO

Przy pomiarach czasów katalogowych klucza tranzystorowego opartego na tranzystorze BC237 użyto konfiguracji: bez i z pojemnością sprzęgającą C₁.

Dla konfiguracji bez C1 amplituda sygnału wejściowego wynosiła A = -3÷5V, zaś w konfiguracji z C₁ amplituda wynosiła A = 0÷5V.

schemat pomiarowy (klucz NPN-pomiary)

Tabela pomiarowa (wraz z wynikami symulacyjnymi)

	Czasy pomiarowe
		td	tr	ts	tf	tON	tOFF
POMIARY
z C1	28ns	54ns	130ns	12ns	82ns	142ns
bez C1	130ns	80ns	340ns	250ns	210ns	590ns

Głównym celem pomiarów tego układu było zbadanie wpływu pojemności C₁ na szybkość reakcji klucza. Jak widać jednoznacznie pojemność C₁ wpływa zarówno na czas włączania jak i wyłączania układu, zwiększając szybkość przełączania.

Przeprowadzono symulację obrazującą przebiegi napięć w obu konfiguracjach: z i bez pojemności przyspieszającej bocznikującej R_B. Jak widać na przebiegu bez pojemności widoczne są małe fluktuacje sygnału po wyłączeniu klucza. Jeśli zaś chodzi o przebieg z pojemnością przyspieszającą to widać wzrosty napięcia w momencie przełączania spowodowane zmianą stanu kondensatora.

wykresy symulacyjne do założeń pomiarowych (klucz NPN - symulacja)

- zastosowanie klucza npn do sterowania przekaźnikiem (klucz NPN - symulacja)

Poniższy układ przekaźnika jest symulowany indukcyjnością połączoną w szereg z rezystorem. Włącznik J1 załączał diodę D₁. Celem symulacji tego układu była obserwacja przebiegów napięcia w obu konfiguracjach układu.

schemat pomiarowy

Poniżej znajdują się przebiegi napięć w obu konfiguracjach: z i bez diody D₁.

Dioda D1 rozłączona - przebieg napięć

Dioda D1 załączona - przebieg napięć

Symulowany układ był układem przekaźnika reprezentowanym przez cewkę L₁ o dość dużej indukcyjności równej 1mH. Dioda D₁ to dioda impulsowa BA157. W momencie kiedy tranzystor przerywał obwód (stan niski), cewka w wyniku SEM samoindukcji wytwarzała impuls wysokiego napięcia. Na symulacji nie dało się określić jak wysokie jest to napięcie. Zadaniem diody było zablokowanie dostępu do kolektora tranzystora. Jak widać dioda miała za zadanie chronić tranzystor przed nagłym rozładowaniem energii zgromadzonej w cewce w postaci pola magnetycznego.

KLUCZ UNIPOLARNY MOS (symulacja i pomiary)

SYMULACJA

- charakterystyka wyjściowa I_D=f(U_DS)_UGS=const (tranzystor unipolarny)

Napięcie U_GS sterowane było od zakresu 0 do 6V. Jak widać z charakterystyki, napięcie U_DS zmienia się od 0 do 15V. Analizie poddano tranzystor IRF540.

Przełączanie tranzystora unipolarnego polega na możliwie szybkim przesunięciu punktu pracy od stanu odcięcia poprzez zakres pentodowy (nasycenia) charakterystyk do zakresu liniowego (triodowego).

- charakterystyka przejściowa I_D = f(U_GS)_UDS=const (tranzystor unipolarny)

Analizie poddano tranzystor IRF540. Wykreślono charakterystykę przejściową.

Generowano U_DS o różnych wartościach - od 0 do 7,5V. Napięcie U_GS zmieniało się zatem od 0 do 6,5V. Napięcie odcięcie wynosiło 3,5V.

Poniżej przedstawiono widok charakterystyki.

- wpływ wartości elementów na prace klucza (konfiguracja OS - symulacja)

Analizie poddano poniższy układ pomiarowy. Celem pomiaru była obserwacja wpływu rezystancji w obwodzie drenu. Załącznikiem J1 wybierano wartość rezystancji. Sygnał wejściowy miał amplitudę 5V, częstotliwość 5kHz. Poniżej przedstawiono schemat pomiarowy.

schemat pomiarowy

Poniżej znajduje się tabela pomiarowa czasów katalogowych klucza tranzystorowego unipolarnego, opartego na tranzystorze IRF540.

Tabela pomiarowa (klucz MOS)

Konfiguracja - J1	Czas włączania tON	Czas wyłączania tOFF
1k	163,6 ns	3,9 μs
10k	160 ns	37,9 μs

Czas włączania t_ON

Można przyjąć, że czas załączania nie jest zależny od rezystancji w obwodzie drenu R_D - faktycznie jest to bardzo mały wpływ.

Czas wyłączania t_OFF

Czas ten jest zależny od rezystancji w obwodzie drenu R_D, im większa rezystancja tym dłuższy czas reakcji klucza. Spowodowane to jest związkiem t_OFF=2,2(τ₁+τ₂), gdzie τ₂=R_DC_L.

Oba czasy - włączania i wyłączania są oczywiście zależne od rezystancji w obwodzie bramki R_G, związane ze stałą czasową τ₁=R_G(C_gs+C_gd).

Poniżej znajdują się zależności napięcia od czasu podczas przełączania tranzystora unipolarnego.

Wartości 10%u_wymax oraz 90%u_wymax są wartościami pomiarowymi praktycznymi.

Na wykresach widoczne są napięcie na wejściu (na generatorze) oraz na wyjściu (napięcie U_DS). Zaznaczono również czasy włączania t_ON oraz wyłączania t_OFF tranzystora unipolarnego.

POMIARY (klucz MOS)

Celem pomiarów była analiza czasów przełączania klucza tranzystorowego w poniższej konfiguracji. Źródłem sygnału wejściowego był generator wytwarzający przebieg prostokątny o częstotliwości 2kHz oraz amplitudzie 5V. Badaniom poddano klucz oparty na tranzystorze IRF540. Przebiegi napięć obserwowano na oscyloskopie. Korzystając z przebiegów wyznaczono czasy przełączające.

schemat pomiarowy

SYMULACJA UKŁADU POMIAROWEGO (klucz MOS)

Przeprowadzono symulację układu pomiarowego klucza unipolarnego MOS. Otrzymane wartości czasów katalogowych umieszczono wraz z wynikami pomiaru w celu ich skonfrontowania. Symulacja została przeprowadzono w celu weryfikacji poprawności pomiarów.

Tabela wyników pomiarowych (klucz MOS)

	Uwe	fwe	td	tr	ts	tf	tON	tOFF
POMIARY	5 V	2 kHz	45ns	160ns	41ns	102ns	205ns	143ns
SYMULACJA					65ns	163ns	32ns	83ns	228ns	115ns

Jak widać z tabeli czasy otrzymane w wyniku symulacji zbliżone są do czasów otrzymanych z przeprowadzonych pomiarów laboratoryjnych. Rozbieżności wynikają z dokładności oscyloskopu (z częstotliwości próbkowania) oraz z nieidealności elementów układu pomiarowego.

3. Podsumowanie wniosków

OGÓLNIE

Klucz tranzystorowy nasycony, w którym tranzystor pracuje w konfiguracji OE jest jednym z najważniejszych układów przełącznikowych. W takim układzie tranzystor sterowany jest od zakresu odcięcia do zakresu nasycenia i na odwrót.

Układy przełącznikowe z tranzystorami MOS, głównie z kanałem wzbogacanym są podstawowymi układami wykorzystywanymi do realizacji scalonych układów cyfrowych, analogowych układów z przełączanymi pojemnościami SC, czy też układami z przełączaniem prądów SI.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z czasami katalogowymi kluczy tranzystorowymi, ich pomiarem i interpretacją. W wyniku pomiarów zidentyfikowano czasy: włączania t_ON i wyłączania t_OFF. Na te czasy składały się odpowiednio: czas opóźnienia t_d (delay time) i czas narastania t_r (rise time) oraz czas magazynowania t_s (storage time) i czas opadania t_f (fall time).

Na szybkość reakcji klucza na wymuszenie składało się wiele elementów. Podstawowymi były własności tranzystora - jego pojemności złączowe i stałe czasowe ich ładowania. Sygnał wymuszający też miał wpływ na szybkość reakcji. Rezystory polaryzujące tranzystor w tryb pracy klucza miały wpływ na czasy katalogowe.

Z ogólnych obserwacji wynika iż, aby zwiększyć szybkość klucza należy: zbocznikować rezystor R_B pojemnością zwaną przyspieszającą, dobrać odpowiednie wartości rezystorów w układzie klucza. Można również zastosować diodę Schottky'ego równolegle do złącza kolektor-baza.

KLUCZ NPN

Z przeprowadzonych pomiarów i symulacji jednoznacznie wynika, że pojemność bocznikująca rezystor w obwodzie bazy, przyspieszająco wpływa na działanie klucza. Mniejszą wartość ma zarówno czas włączania, jak i wyłączania klucza. Zaobserwowano, że im wyższa pojemność kondensatora (większa zdolność gromadzenia energii) tym szybsze działanie klucza.

Na czas wyłączania klucza wpływ ma również rezystancja R_C oraz R_B. Im wyższa rezystancja R_C tym klucz wolniej się wyłącza (większe t_OFF). Z kolei im większa wartość R_B tym mniejszy czas wyłączania (mniejsze t_OFF).

Oczywiście bardzo dużo zależy od rodzaju tranzystora i jego parametrów katalogowych takich jak np. pojemność złącza emiterowego C_je lub kolektorowego C_jc.

STEROWANIE PRZEKAŹNIKIEM ZA POMOCĄ KLUCZA

W zasymulowanym układzie przekaźnika sterowanego klucza zaobserwowano wpływ diody D₁ na działanie układu. Działanie to polegało to ochronie tranzystora w momencie przerwania obwodu i rozładowania się cewki. Zaobserwowano wysokie napięcie pojawiające się w obwodzie bez diody. W układzie zwrócono uwagę również iż diodą ochronną była szybka dioda impulsowa BA157.

KLUCZ MOS

Z przeprowadzonej analizy klucza tranzystorowego opartego na tranzystorze MOS (IRF540) ustalono zależność szybkości działania klucza na wartość elementów w obwodzie sterującym. Badaniom poddano przede wszystkim wpływ rezystora w obwodzie drenu R_D na czasy katalogowe. W wyniku pomiarów ustalono, że czas włączania t_ON praktycznie nie zależy od R_D (bardzo mały wpływ). Z kolei na czas wyłączania R_D miało wpływ. Im większa rezystancja R_D tym dłuższy czas reakcji klucza (większe t_OFF). Czasy t_ON i t_OFF związane są oczywiście również z rezystancją w obwodzie bramki R_G oraz zależą również od parametrów tranzystora (C_gs, C_gd).

Klucze tranzystorowe - sprawozdanie 12

12

---