Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA EKS1A300024 TRANZYSTORY JAKO ELEMENTY DWUSTANOWE BIAŁYSTOK 2015
WSTĘP Elementy wykonawcze układów elektronicznych są zwykle zakończeniem toru sygnałowego tych układów. Elementy te zgodnie z sygnałem elektrycznym powodują zmiany wielości fizycznych (położenia, prędkości, temperatury, ciśnienia, jasności itd.). W niektórych zastosowaniach wymaga się płynnej zmiany tych wielkości. Związane to jest ze zmianą przepływu energii (płynna regulacja mocy dostarczanej do obciążenia). W innych przypadkach wystarczy jedynie włączenie lub wyłączenie przepływu energii. Rozróżniamy dwa rodzaje sterowania: 1. Sterowanie ciągłe, w których sygnał przyjmuje wartości ciągłe w pewnym zakresie napięć/prądów (regulacja prędkości obrotowej, temperatury itp.); 2. Sterowanie dwustanowe typu włącz wyłącz służące do włączania i wyłączania: przekaźników, silników prądu stałego, elektrozaworów, lampek sygnalizacyjnych itp. Przykłady takiego sterowania zostały zamieszczone na rysunku 1; 3. Sterowanie metodą PWM (ang. Pulse-Width Modulation). Podstawową wadą klasycznego sterowania mocą dostarczaną do obciążenia jest niska sprawność (znaczna część mocy jest tracona na elemencie regulacyjnym). Uz Uz Termometr kontaktowy Układ termometra Silnik wentylatora M Elektrozawór Rb Układ sterowania Rb NAND TTL a) b)
+ 5V Rc 220 V Optotriak z komputera Rb L / H Rys. 1. Przykłady wyjść dwustanowych układów automatyki. Jak widać na powyższych przykładach przy sterowaniu dwustanowym elementami wykonawczymi są zwykle tranzystory. Tranzystory te pełnią rolę klucza (łącznika) zwierającego lub rozłączającego obwód, w którym znajduje się element wykonawczy. Tranzystory te powinny wytrzymywać 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 lub zatkania, przy możliwie krótkim czasie przełączania z jednego stanu do drugiego. A stan nasycenia B stan zatkania c) Rys. 2. Charakterystyka wyjściowa tranzystora bipolarnego z naniesioną prostą obciążenia.
Sterowanie tranzystorem odbywa się w obwodzie bazy również sygnałem dwustanowym małej mocy np. sygnałem cyfrowym z układu logicznego, z komputera poprzez transoptor, mikro-wyłącznikiem lub z komparatora. W celu prawidłowego wysterowania obwodu bazy (pewnego wprowadzenia tranzystora w stan zatkania lub nasycenia należy uwzględnić własności elektryczne wyjścia elementu wytwarzającego sygnał sterujący. Dla przykładu wyjście układu logicznego może znajdować się w stanie wysokim ( H ) lub niskim ( L ). Dla układów serii TTL wartości typowe: w stanie H U WYJ 3,5 V przy prądzie wypływającym I OH 4 ma, w stanie L U WYJ 0,2 V przy prądzie pochłanianym 10 ma. Dla układów innych serii należy przeanalizować charakterystyki wyjściowe tych układów. Dla mikro-wyłączników 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 (stałej) częstotliwości i zmiennej regulowanej szerokości. Regulując stosunek czasu przewodzenia do całego okresu (współczynnik wypełnienia impulsów), można regulować średnią moc od zera do wartości maksymalnej. Do wytworzenia takich sygnałów sterujących używa się wyspecjalizowanych układów scalonych (np. TL494). Niektóre mikroprocesory mają w swojej strukturze programowalne wyjście PWM. Zaletą PWM jest wysoka sprawność układu i mała moc tracona na tranzystorze przy zachowaniu dużych prądów i napięć. Uwaga: Jeżeli obciążenie ma charakter indukcyjny (przekaźnik, silniki, elektrozawory) wymagana 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 wykonywane na przygotowanej makiecie (rys. 3) TRANZYSTORY W UKŁADACH DWUSTANOWYCH +Ucc +15V +15V GEN TL494 we wy DRIVER MC34151 wy we +15V 6x1/6 4050 wy DZ1 DZ2 F 4A OBC DZ3 10k 1k D f we T1 +15V wy R B C E T3 G D S U 5Ω PWM T2-5V 25Ω 100Ω 0,1Ω I Rys. 3 Widok makiety do badania tranzystorów jako elementów dwustanowych 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 współczynnika wypełnienia impulsów; trzy wzmacniacze (bufory) do sterowania bazą/bramką tranzystora mocy. Makieta ma autonomiczny zasilacz sieciowy do zasilania generatora i buforów. Uwaga: Do zasilania tranzystora potrzebny będzie zewnętrzny regulowany zasilacz laboratoryjny (minimum 1A). W pierwszej części ćwiczenia potrzebny będzie zasilacz z regulacją prądu wyjściowego (wykorzystywany jako źródło prądowe).
PRZEBIEG ĆWICZENIA A. Sterowanie metodą regulacji ciągłej Do zacisku +Vcc podłączamy zewnętrzny zasilacz ( z wewnętrznym odczytem prądu) lub włączamy w szereg amperomierz. Do zacisków śrubowych OBC podłączamy obciążenie: np. żarówkę samochodową 12V/5W lub silniczek DC 12V. Można również użyć rezystora dużej mocy. Ze względu na wydzielanie 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 śrubowych 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 wydzielonej na tranzystorze od wysterowania (I B ). Zależność mocy dostarczonej do obciążenia od wysterowania (I B ). Zależność sprawności przekazywania energii z zasilacza głównego do obciążenia od wysterowania (I B ). (Prąd żarówki odczytać z amperomierza w zasilaczu). Zależność prądu kolektora od prądu bazy. Na wykresie 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 na oscyloskopie i zarejestrować przebiegi napięcia sterującego i napięcia U CE (kolektor emiter). Określić czasy narastania i opadania napięcia U CE. c) Zamiast lampki podłączyć mały silniczek prądu stałego (nie zapomnieć o diodzie zwrotnej) i za pomocą zmiany współczynnika wypełnienia impulsów regulować prędkość obrotową. d) Sprawdzić czy tranzystor mocno się nagrzewa i porównać z nagrzewaniem się przy pracy ciągłej. 2. Powtórzyć pomiary i obserwacje, wykorzystując jako element dwustanowy tranzystor MOSFET
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 wysterowaniu na tranzystorze wydziela 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?