Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA ENS1C300 022 TRANZYSTORY JAKO ELEMENTY DWUSTANOWE BIAŁYSTOK 2013
WSTĘP Elementy konawcze układów elektronicznych są zkle zakończeniem toru sygnałowego tych układów. Elementy te zgodnie z sygnałem elektrycznym powodują zmiany wielości fizycznych ( położenie, prędkość, temperatury, ciśnienia jasności itd.). W niektórych zastosowaniach maga się płynnej zmiany tych wielkości. Związane to jest ze zmianą przepływu energii (płynna regulacja mocy dostarczanej do obciążenia) W innych przypadkach starczy włączenie i łączenie przepływu energii. Rozróżniamy dwa rodzaje sterowania: 1. Sterowanie ciągłe, w których sygnał przyjmuje wartości ciągłe w pewnym zakresie amplitud (regulacja prędkości obrotowej, temperatury itp.). 2. Sterowanie dwustanowe typu włącz łącz służące do włączania i łączania: przekaźników, silniczków prądu stałego, elektrozaworów, lampek sygnalizacyjnych itp. Przykłady takiego sterowania zostały zamieszczone na rysunkach 1 a,b,c. 3. Sterowanie metodą PWM Podstawową wadą klasycznego sterowania mocą dostarczaną do obciążenia jest niska sprawność (znaczna część mocy jest tracona na elemencie regulacyjnym). Uz Uz Termometr Układ termometra kontakto Silnik wentylatora M Elektrozawór Rb Układ sterowania Rb NAND TTL a) b)
+ 5V Rc 220 V Optotriak z komputera Rb L / H c) Rys. 1. Przykłady jść dwustanoch układów automatyki. Jak widać na poższych przykładach przy sterowaniu dwustanom elementami konawczymi są zkle tranzystory. Tranzystory te w tych układach pełnią rolę klucza (przełącznika) zwierającego lub rozłączającego obwód, w którym znajduje się element konawczy. Tranzystory te powinny trzymywać maksymalne prądy i napięcia odpowiednio dobrane ze względu na rodzaj i wielkość obciążenia. Dlatego też są to najczęściej tranzystory średniej i dużej mocy. W odróżnieniu od zastosowania tranzystorów we wzmacniaczach, gdzie punkt pracy dobiera się w obszarze aktywnej pracy tranzystora, przy pracy dwustanowej tranzystor może znajdować się tylko w dwóch stanach: nasycenia i zatkania, przy możliwie krótkim czasie przełączania z jednego stanu do drugiego. A stan nasycenia B stan zatkania Rys. 2. Charakterystyka jściowa tranzystora bipolarnego z naniesioną prostą obciążenia.
Sterowanie tranzystorem odbywa się w obwodzie bazy również sygnałem dwustanom małej mocy np. sygnałem cyfrom z układu logicznego, z komputera poprzez transoptor, mikrołącznikiem lub z komparatora. W celu prawidłowego sterowania obwodu bazy (pewnego wprowadzenia tranzystora w stan zatkania lub nasycenia należy uwzględnić własności elektryczne jścia elementu twarzającego sygnał sterujący. Dla przykładu jście układu logicznego może znajdować się w stanie sokim ( H ) lub niskim ( L ). Dla układów serii TTL wartości typowe: w stanie H U WYJ 3,5 V przy prądzie pływającym I OH 4 ma, w stanie L U WYJ 0,2 V przy prądzie pochłanianym 10 ma. Dla układów innych serii należy przeanalizować charakterystyki jściowe tych układów. Dla mikrołączników należy przyjąć prąd znacznie mniejszy od dopuszczalnego, co zapewni dużą niezawodność tych elementów. Przykłady projektowania będą rozważone podczas ćwiczeń. Sterowanie dwustanowe tranzystorem stosuje się również przy modulacji szerokości impulsów (PWM), w celu regulacji średniej mocy dostarczanej do obciążenia. Sterowanie PWM polega na tym, że tranzystor jest otwierany impulsami o dość dużej częstotliwości o zmiennej regulowanej szerokości. Regulując stosunek czasu przewodzenia do całego okresu, (współczynnik pełnienia impulsów), można regulować średnią moc od zera do wartości maksymalnej. Do tworzenia takich sygnałów sterujących używa się specjalizowanych układów scalonych (np. TL494). Niektóre mikroprocesory mają w swojej strukturze programowalne jście PWM. Zaletą PWM jest soka sprawność układu i mała moc tracona na tranzystorze przy zachowaniu dużych prądów i napięć. Uwaga: Jeżeli obciążenie ma charakter indukcyjny (przekaźnik, silniki, elektrozawory) magana jest dioda zwrotna zapobiegająca przepięciom na kolektorze tranzystora. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest porównanie sterowania ciągłego mocą dostarczaną do obciążenia ze sterowaniem metodą PWM. OBSERWACJE I POMIARY Ćwiczenie będzie konywane na przygotowanej makiecie: Makieta zawiera zaciski śrubowe do podłączenia tranzystora mocy w obudowie TO-220 lub podobnej. Na makiecie znajduje się również : Generator PWM i pokrętła do regulacji częstotliwości i pełnienia.
Trzy wzmacniacze (bufory)do sterowania bazą tranzystora mocy. Makieta ma autonomiczny zasilacz siecio do zasilania generatora i buforów. Uwaga: Do zasilania obciążenia potrzebny będzie zewnętrzny zasilacz sokoprądo (min 2A 12-30V regulowany). Pierwszej części ćwiczenia potrzebny będzie zasilacz regulowany mogący pracować jako źródło prądu o regulowanym prądzie min. 1mA. TRANZYSTORY W UKŁADACH DWUSTANOWYCH +Ucc GEN TL494 we DRIVER MC34151 we 6x1/6 4050 DZ1 DZ2 F 4A OBC DZ3 10k 1k D f we T1 R B C E T3 G D S U 5Ω PWM T2-5V 25Ω 100Ω 0,1Ω I PRZEBIEG ĆWICZENIA A. Sterowanie metodą regulacji ciągłej Do zacisku +Vcc podłączamy zewnętrzny zasilacz ( z wewnętrznym odczytem prądu ) lub włączamy w szereg amperomierz na zakresie 2A. Do zacisków śruboch OBC podłączamy obciążenie: np. żarówkę samochodową 12V 10 W, lub silniczek DC 12V. Można również użyć rezystora dużej mocy. Ze względu na dzielanie się pewnej mocy na tranzystorze do tranzystora zaleca się przykręcenie niewielkiego radiatora.
Obwód bazy będzie zasilany z dodatkowego zasilacza małej mocy z regulacją prądu. W tym celu podłączamy zasilacz poprzez dobrany opornik (wkręcony do zacisku śrubowego R do bazy tranzystora). DZ1 DZ2 +Ucc OBC A + - ZASILACZ 12V F 4A 10k DZ3 1k ZASILACZ 12V + - R V B C E T3 G D S U 0,1Ω I Od wartości rezystora R i napięcia zasilacza pomocniczego zależeć będzie prąd bazy i tym samym prąd kolektora. Rezystor R dobieramy wg następującej zasady: Szacujemy maksymalny prąd obciążenia (z mocy żarówki, silnika, rezystancji opornika, będącego obciążeniem). Przyjmujemy β tranzystora mocy 100-150, obliczamy potrzebny prąd bazy. Przyjmując początkowe ustawienie zasilacza bazowego na 6V (tak aby można było regulować w górę i w dół), obliczamy potrzebną wartość rezystora R (nie zapomnieć o U BE = 0.7V). Podkręcamy rezystor do zacisków śruboch R. Poprzez regulację napięcia zasilacza zmieniamy prąd bazy od minimalnych wartości aż do uzyskania nasycenia w obwodzie kolektora (jak to poznać?). Zapisujemy wartości prądu bazy I B, kolektora I C i napięcia U CE. Prąd bazy najlepiej odczytywać na wewnętrznym wskaźniku poboru prądu zasilacza. Na podstawie zapisanych pomiarów należy określić:
Zależność mocy dzielonej na tranzystorze od sterowania (I B ). Zależność mocy dostarczonej do obciążenia od sterowania (I B ). Zależność sprawności przekazywania energii z zasilacza głównego do obciążenia od sterowania (I B ). (Prąd żarówki odczytać z amperomierza w zasilaczu). Zależność prądu kolektora od prądu bazy. Na kresie pokazać miejsce wejścia tranzystora w nasycenie. Określić β tranzystora w obszarze aktywnym(jeżeli β nie jest stałe to dlaczego?). Określić moc, przy pracy dwustanowej (P nas ; P zat ). Sformułować wnioski. B. Sterowanie metodą PWM 1. Zamiast zasilacza bazowego do bazy podłączyć układ generatora PWM poprzez dowolny bufor i rezystor R a) Regulując potencjometrem w zadajniku PWM obserwować zmiany w świeceniu lampki. b) Zaobserwować i przerysować z oscyloskopu przebiegi napięcia sterującego i napięcia na kolektorze. Określić czasy narastania i opadania napięcia na kolektorze. c) Zamiast lampki podłączyć mały silniczek prądu stałego (nie zapomnieć o diodzie zwrotnej) i regulować prędkość obrotową. d) Sprawdzić czy tranzystor mocno się nagrzewa i porównać z nagrzewaniem się przy pracy ciągłej. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP, obowiązującą w laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. Zagadnienia: 1. Przy jakim sterowaniu na tranzystorze dziela się największa moc? 2. Jak poznać że tranzystor jest w nasyceniu? 3. Dlaczego ze wzrostem częstotliwości PWM tranzystor, będzie coraz bardziej się nagrzewać? 4. Dlaczego jeśli obciążeniem jest silniczek DC konieczna jest dioda zwrotna 5. Jakie zalety ma sterowanie PWM w stosunku do regulacji ciągłej?