Laboratorium z przedmiotu Półprzewodnikowe przyrzdy mocy dla VI semestru studiów inynierskich Elektronika i Telekomunikacja o specjalnoci Elektronika Morska wiczenie 1. Przetwornice dławikowe Zadania do konania w laboratorium: 1. Zmierzy charakterystyki przetwornicy BUCK w układzie pokazanym na rys.1.1. W tym celu na płycie czołowej zestawu pomiarowego naley kona nastpujce czynnoci: IRF840 L=200 µh C=470 µf U U we =20V BY229 R 0 Rys.1.1. Schemat przetwornicy BUCK a) przełcznik POMIAR przełczy w pozycj BUCK, b) przełcznik LOOP przełczy w pozycj BUCK, c) przełcznik PTLA przełczy w pozycj 0, d) przełcznik Uwe przełczy w pozycj BUCK, e) zmieniajc potencjometrem Uwe warto napicia U we znaczy charakterystyki U (U we ) przetwornicy przy dwóch wartociach napicia odniesienia U REF (ustawianych pokrtłem U REF1 na płycie czołowej zestawu) równych kolejno 1,5 V oraz 2,5 V. Przyj zakres zmian wartoci napicia U we od 0 do 20 V, f) zmieniajc potencjometrem U REF1 warto napicia U REF znaczy zaleno napicia jciowego przetwornicy U od współczynnika pełnienia sygnału sterujcego bramk d=t w /T S przy rezystancji obcienia R1 = 20 Ω oraz R2 = 1 kω (bieranej przełcznikiem na płycie czołowej); wartoci czasu trwania impulsu sygnału sterujcego bramk tranzystora t w oraz okresu tego sygnału T S naley zmierzy za pomoc oscyloskopu. g) dla najwikszej wartoci napicia U REF zmierzy wartoci I we, I, U we oraz U. 2. Zmierzy charakterystyki przejciowe przetwornicy BOOST, pokazanej na rys.1.2. W tym celu na płycie czołowej zestawu pomiarowego naley kona nastpujce czynnoci: a) przełcznik POMIAR przełczy w pozycj BOOST, b) przełcznik LOOP przełczy w pozycj BOOST, L1=350µH BY229 IRF840 U U we C=470µF R 0 Rys.1.2. Schemat przetwornicy BOOST
c) przełcznik PTLA przełczy w pozycj 0, d) przełcznik Uwe przełczy w pozycj BOOST e) zmieniajc potencjometrem Uwe warto napicia wejciowego U we znaczy charakterystyki przejciowe U (U we ) przetwornicy przy dwóch wartociach napicia odniesienia U REF (ustawianych pokrtłem U REF1 na płycie czołowej zestawu) równych kolejno 1,5 V oraz 2,5 V; Przyj zakres zmian wartoci napicia U we od 0 do 20 V, f) zmieniajc potencjometrem U REF1 warto napicia U REF znaczy zaleno napicia jciowego przetwornicy U od współczynnika pełnienia sygnału sterujcego bramk d=t w /T S przy rezystancji obcienia R1 = 1 kω oraz R2 = 30 Ω (bieranej przełcznikiem na płycie czołowej); wartoci czasu trwania impulsu sygnału sterujcego bramk tranzystora t w oraz okresu tego sygnału T S naley zmierzy za pomoc oscyloskopu. g) dla najwikszej wartoci napicia odniesienia U REF zmierzy wartoci I we, I, U we oraz U. 1. Wykreli zmierzone charakterystyki U (U we ) oraz U (d) obu przetwornic. 2. Obliczy sprawno energetyczn η obu przetwornic korzystajc ze wzoru U I η = (1.1) U I we 3. Na podstawie zmierzonych charakterystyk U (d) znaczy zakres regulacji napicia jciowego obu przetwornic dla idealnych przełczników i porówna go z nikami pomiarów. Skomentowa zauwaone rozbienoci. Dla idealnych elementów półprzewodnikoch relacje midzy napiciem jciom przetwornicy a współczynnikiem pełnienia sygnału sterujcego d s dane wzorami U = d dla przetwornicy BUCK (1.2) U U we 1 = 1 d U we we dla przetwornicy BOOST (1.3) wiczenie 2. Przetwornica półmostkowa Zadania do konania w laboratorium: 1. Zmierzy charakterystyki przejciowe U (U we ) przetwornicy półmostkowej, pokazanej na rysunku 2.1. W tym celu na płycie czołowej zestawu pomiarowego naley kona nastpujce czynnoci: a) przełcznik PTLA przełczy w pozycj 0, b) zmieniajc warto napicia wejciowego U we, podawanego z zewntrznego zasilacza, znaczy charakterystyki przejciowe U (U we ) przy ustalonych wartociach napicia odniesienia U REF (regulowanego potencjometrem U REF1 na płycie czołowej zestawu) równych kolejno 1,5 V oraz 2,5 V; Przyj zakres zmian wartoci napicia U we od 0 do 20 V, c) zmieniajc potencjometrem U REF1 warto napicia U REF znaczy zaleno napicia jciowego przetwornicy U od współczynnika pełnienia sygnału sterujcego bramk d=t w /T S przy rezystancji obcienia R1 = 20 Ω oraz R2 = 1 kω (bieranej przełcznikiem na płycie czołowej); wartoci czasu trwania impulsu
sygnału sterujcego bramk tranzystora t w oraz okresu tego sygnału T S naley zmierzy za pomoc oscyloskopu. UZ C1 T1 C11 R9 R8 Eg US Rw Tr1 Uwe C2 D1 D2 Df Cf R11 US R0 U T2 C10 R10 Ed Rys. 2.1. Schemat przetwornicy półmostkowej d) znaczy zaleno t w (U REF ) czasu trwania impulsu sterujcego tranzystor T1 od napicia odniesienia, przy ustalonej wartoci napicia wejciowego U we = 20 V oraz przy dwóch wartociach rezystancji obcienia R1 = 20 Ω oraz R2 = 1 kω, e) dla najwikszej wartoci napicia odniesienia U REF zmierzy wartoci I we, I, U we oraz U, 2. Przerysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napi na jciu sterownika (jcie U SERL na płycie czołowej zestawu) oraz na bramkach obu tranzystorów (jcia U GL oraz U GH na płycie czołowej), odpowiadajce wartoci napicia wejciowego przetwornicy U we = 20 V oraz wartoci napicia odniesienia U REF = 2 V, przy rezystancji obcienia R1 = 20 Ω. 1. Narysowa zmierzone charakterystyki U (U we ) oraz U (d) badanej przetwornicy półmostkowej. 2. Wyznaczy sprawno energetyczn przetwornicy. 3. Wyjani zaobserwowane na oscyloskopie rónice w kształcie napicia na bramkach tranzystorów T1 i T2 (jcia U GL oraz U GH ). wiczenie 3. Tranzystor IGBT Zadania do konania w laboratorium: 1. W układzie pokazanym na rysunku 3.1 zmierzy nastpujce charakterystyki statyczne i(u) tranzystora IGBT w zakresie (u CE 15 V, i C 2 A): a) charakterystyki przejciowe i C (u GE ) dla dwóch wartoci napicia kolektor-emiter: u CE1 = 2 V oraz u CE2 = 6 V, b) charakterystyki jciowe i C (u CE ) dla trzech wartoci napicia bramka-emiter: u GE1 = 5,5 V; u GE2 = 6 V; u GE3 = 6,5 V, przy dodatnich wartoci napicia kolektor-emiter, c) charakterystyki jciowe i C (u CE ) dla dwóch wartoci napicia bramka-emiter u GE1 = 0; u GE2 = 6 V, przy ujemnych wartociach napicia kolektor-emiter. W celu
konania tego pomiaru naley zmieni polaryzacj napicia z zasilacza obwodu kolektora E C. Rys.3.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora IGBT 2. W układzie pokazanym na rysunku 3.2 zmierzy parametry dynamiczne tranzystora IGBT: e(t) R G OX T 1 OY R C E C Rys.3.2. Układ do pomiaru charakterystyk dynamicznych tranzystora IGBT a) znaczy czas włczania i łczania tranzystora przy pobudzeniu e(t) sygnałem prostoktnym o czstotliwoci f = 5 khz, dla prdów włczenia kolejno o wartociach: i C = 0,1 A, 0,5 A, 1 A, 2A, b) odrysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napicia bramka-emiter oraz kolektoremiter przy amplitudzie napicia bramka emiter równej u GE1 = 5 V oraz u GE2 = 7,5 V oraz przy napiciu zasilania równym E C = 20 V. 1. Wykreli zmierzone w punkcie 1 charakterystyki statyczne badanego tranzystora. 2. Wyznaczy warto napicia progowego U p, jako warto napicia bramka-emiter, odpowiadajc prdowi kolektora równemu 10 µa przy napiciu U CE = 6 V. 3. Uzasadni przebieg zmierzonej charakterystyki jciowej i C (u CE ) badanego tranzystora dla ujemnych napi kolektor-emiter u CE < 0. 4. Wykreli zmierzon w punkcie 2a zaleno czasu włczania i łczania tranzystora od prdu kolektora w stanie włczenia. Dane katalogowe badanego elementu: U CEmax I Cmax P TOT(25 C) IGBT IRG4PC40UD 600 V 40 A 160 W
wiczenie 4. Tyrystor Zadania do konania w laboratorium: 1. Zmierzy statyczne charakterystyki jciowe i A (u AK ) tyrystora w układzie z rys.4.1. przy nastpujcych wartociach prdu bramki: i G1 = 5 ma, i G2 = 10,6 ma, i G3 = 15 ma. Przed rozpoczciem pomiarów naley ustawi pokrtło ograniczenia prdowego w zasilaczu E A na minimum i w kolejnych punktach pomiaroch zwiksza warto dopuszczaln prdu i A tylko na tyle, by nie paliła si sygnalizacja ograniczania prdu jciowego tego zasilacza. W czasie pomiaru najpierw naley zwiksza warto napicia u AK a do uzyskania napicia u AK = 60 V lub do uzyskania prdu i A = 2.5 A. Nastpnie naley zmniejsza warto napicia u AK do zera. W ten sposób uzyskana zastania charakterystyka tyrystora w zakresie blokowania i włczenia. A R G T 1 E G V V E A Rys.4.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tyrystora 2. Wyznaczy czasowe przebiegi napi u AK oraz u GK tyrystora przy pracy dynamicznej. Odrysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napicia u AK (t) oraz u GK (t) w układzie do płynnej regulacji mocy, pokazanym na rys. 4.2., odpowiadajce dwom wartociom kta komutacji tyrystora, regulowanego pokrtłem na płycie czołowej zestawu pomiarowego, przy najwikszym i najmniejszym nateniu wiatła emitowanego przez arówk. ~230V Tr T1 D1 RG P1 R1 C1 R2 R3 Q2 Q1 R4 Rys.4.2. Układ płynnej regulacji mocy 1. Wykreli zmierzone w punkcie 1 charakterystyki statyczne tyrystora. 2. Wyznaczy warto prdu podtrzymania tyrystora I L na podstawie uzyskanych w punkcie 1 charakterystyk statycznych. 3. Skomentowa zmierzone przebiegi napi u AK (t) oraz u GK (t). Dane katalogowe badanego elementu: I T U DRM SCR 10-04-5C 50 A 100 V
Literatura pomocnicza [1] Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa, 1987. [2] Borkowski A.: Zasilanie urzdze elektronicznych. WKiŁ, Warszawa, 1990. [3] Napieralski A., Napieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrzdy duej mocy. WNT, Warszawa, 1995. [4] Stepowicz W.J., Zarbski J.: Laboratorium z elementów elektronicznych. Wydawnictwo WSM w Gdyni, Gdynia 1989 (danie 1), 1994 (danie 2). [5] Marciniak W.: Przyrzdy półprzewodnikowe i układy scalone. WNT, Warszawa, 1984. [6] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E.: Pomiary przyrzdów półprzewodnikoch. WKiŁ, Warszawa 1990. [7] Górecki K.: Układy przetwarzania energii elektrycznej w elektronice. Podrcznik dla studium podyplomowego Elektroniczne elementy i układy mocy, Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz, 2009. [8] Zarbski J.: Półprzewodnikowe elementy mocy. Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz, 2009.