Pomiary i modelowanie w elektronice mocy Ćwiczenie 1. Sondy prądowe opracowanie: Łukasz Starzak Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011 Pomiary Klucz dolny odpowiedź skokowa 1. Układ bazowy klucza dolnego. Układ zawiera 2 tranzystory MOSFET montowane w niebieskich listwach zaciskowych, z których jeden stanowi nastawne źródło prądowe, zaś drugi element przełączający w konfiguracji klucza dolnego. Regulując amplitudę prądu bramki i G można zmieniać szybkość załączania dolnego tranzystora. Wyłączanie odbywa się ze stałą, maksymalną szybkością, na jaką pozwalają pasożytnicze pojemności tranzystora i rezystancje w obwodzie bramki. Użyć 2 tranzystorów IRF510. 2. Zasilenie układu. Zasilacz ustawić w tryb niezależnej pracy sekcji (Independent). Wszystkie pokrętła zasilacza skręcić do zera. Z jednej sekcji nastawnej zasilacza zasilić obwód sterowania U GG. Z drugiej sekcji nastawnej zasilacza zasilić obwód mocy U DD. Upewnić się, że zasilanie źródła prądowego U GGH jest wyłączone przełącznik na panelu układu bazowego w pozycji O. Ustawić U GG = 12 V upewniając się, że pobór prądu nie przekracza kilkudziesięciu ma. 3. Uruchomić układ sterowania. Sondę napięciową przyłączyć do napięcia u GS tranzystora dolnego (masę przyłączyć poprzez bananek pomiarowy do gniazda na panelu; końcówkę gorącą bezpośrednio do nóżki tranzystora). Wzmocnienie powyższego kanału dostosowane do amplitudy impulsów U GG jw. Wyzwalanie oscyloskopu kanałem, do którego przyłączona jest powyższa sonda napięciowa, poziomem stałym ustawionym na ok. połowę amplitudy impulsów. Potencjometrem nastawić maksymalny czas trwania impulsu t p. Potencjometrem nastawić amplitudę prądu bramki I Gm na połowę zakresu regulacji tego potencjometru. Wygenerować impuls sterujący wcisnąć czerwony przycisk. Jeżeli na ekranie pojawi się przebieg napięcia u GS dostosować podstawę czasu tak aby widoczny był pełen impuls, jednocześnie t p ustawić na ok. 50 µs. W przeciwnym razie zweryfikować nastawy kanału oscyloskopu i nastawy wyzwalania. Jeżeli to nie pomoże, zwrócić się o pomoc do prowadzącego. 4. Skonfigurować sondę prądową Tektronix A6302 zgodnie z osobną instrukcją dostępną na stanowisku; wzmacniacz sondy podłączyć do kanału 4 oscyloskopu, również odpowiednio go konfigurując zgodnie z ww. instrukcją; współczynnik przetwarzania ustawić tak, aby umożliwił pomiar prądu o amplitudzie 10 A. Zwrócić uwagę na kalibrację sondy po, a nie przed nastawieniem współczynnika przetwarzania. Ustawić sprzężenie ze składową stałą (DC). 5. Sondę A6302 zapiąć na wyprowadzonym nad panel układu bazowego fragmencie przewodu wiodącego prąd drenu, w kierunku zgodnym z rzeczywistym zwrotem tego prądu. PMEM 2011 1
6. Zasilić i uruchomić obwód mocy. Potencjometrem ustawić minimalny prąd drenu I D. Włączyć zasilanie U GGH przełącznikiem na panelu układu bazowego Na zasilaczu ustawić U DD = 10 V upewniając się, że pobór prądu nie przekracza kilkudziesięciu ma. Generując impulsy sterujące z częstotliwością nie większą niż co 5 s, oraz zmieniając nastawę potencjometru, uzyskać amplitudę prądu drenu 10 A. Amplitudę tę należy ustalić na podstawie obserwacji przebiegu na oscyloskopie. W razie potrzeby dostosować wzmocnienie w torze przetwarzania prądu w sposób opisany w instrukcji do sondy prądowej, nie w inny sposób. Przebieg prądu powinien wypełniać ekran w pionie w maksymalnym stopniu od swojego poziomu zera, wskazywanego przez strzałkę na lewej krawędzi podziałki, do swojej wartości maksymalnej, natomiast nie może wykraczać poza ekran. W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu. 7. Przebieg u GS na oscyloskopie ukryć. 8. Uzyskać maksymalną stromość narastania prądu. Powiększyć zbocze narastające prądu. Amplitudę I Gm zwiększyć do takiego momentu, w którym stromość zbocza przestanie się już zwiększać. W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu. 9. Przywrócić postawę czasu umożliwiającą obserwację całego impulsu prądu. 10. Sondę prądową Hameg HZ56 przyłączyć do wolnego kanału oscyloskopu. Włączyć przełącznikiem na korpusie i skonfigurować zgodnie z osobną instrukcją. 11. Wyłączyć sondę HZ56, aby nie rozładowywać baterii. 12. Zarejestrować przebieg całego impulsu prądu drenu. W programie WaveStar for Oscilloscopes utworzyć nowy arkusz YT Sheet. Wygenerować impuls sterujący. Z lewego panelu bocznego przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302. Ostrożnie odłączyć sondę A6302. Zapiąć sondę HZ56 i włączyć ją. Przez cały czas wykonywania ćwiczenia sondę HZ56 należy trzymać w pozycji prostopadłej do panelu układu. Inne postępowanie nie tylko może doprowadzić do wyrwania przewodu pomiarowego, ale również wpłynie na wyniki. Generując impulsy sterujące, nie zmieniając żadnych ustawień podstawy czasu oscyloskopu (w szczególności: podstawy czasu, położenia chwili wyzwalania, przebiegu wyzwalającego, poziomu wyzwalania, sprzężenia wyzwalania), dostosować wzmocnienie i położenie przebiegu w pionie tak, aby były identyczne z ustawionymi dla kanału sondy A6302 (chodzi o wzmocnienie całkowite w torze przetwarzania prądu, tj. liczbę amperów na działkę, nie o wzmocnienie kanału oscyloskopu, tj. liczbę woltów na działkę). Gdyby jednak okazało się, że poprzednie nastawy podstawy czasu były błędne należy powtórzyć pomiar poprzednią sondą dla nastaw prawidłowych. Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Oba przebiegi powinny się pokryć (pomijając ewentualny błąd pomiarowy sondy HZ56). Zapisać arkusz YT Sheet (Save Datasheet As, nie Save Worksheet). Zapisać współczynnik przetwarzania sondy HZ56 oraz bieżące wzmocnienie wzmacniacza sondy A6302. PMEM 2011 2
13. Zarejestrować przebiegi dla zbocza opadającego. Przełączyć się na wyzwalanie zboczem opadającym. Generując impulsy sterujące, powiększyć zbocze opadające do ustalenia się sygnału z sondy HZ56 na poziomie zera (zaniedbać ewentualne oscylacje wokół tego poziomu, kiedy już zostanie osiągnięty). W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu. Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Ostrożnie zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56. Nie zmieniać żadnych ustawień oscyloskopu. Wygenerować impuls sterujący. Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302. 14. Zarejestrować przebiegi dla zbocza narastającego. Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją. Przełączyć się na wyzwalanie zboczem narastającym. Generując impulsy sterujące, powiększyć zbocze narastające do ustalenia się sygnału z sondy HZ56 na wartości grzbietu impulsu (zaniedbać ewentualne oscylacje wokół tego poziomu, kiedy już zostanie osiągnięty). W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu. Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Ostrożnie zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56. Nie zmieniać żadnych ustawień oscyloskopu. Wygenerować impuls sterujący. Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302. 15. Zarejestrować przebiegi dla zbocza narastającego dla mniejszej stromości prądu. Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją. Pokrętłem zmniejszyć amplitudę I Gm do wartości, przy której stromość przebiegu z sondy HZ56 zacznie się widocznie zmniejszać (tj. będzie już obserwowalnie mniejsza niż w poprzednich pomiarach, np. 2-krotnie). Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Ostrożnie zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56. Nie zmieniać żadnych ustawień oscyloskopu. Wygenerować impuls sterujący. Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302. 16. Wyłączyć układ. Odłączyć sondę prądową. Napięcie U DD sprowadzić do zera. Wyłączyć zasilanie źródła prądowego U GGH przełącznikiem na panelu układu bazowego. Napięcie U GG sprowadzić do zera. PMEM 2011 3
Odłączyć przewody zasilające. Tranzystory pozostawić w listwach zaciskowych. 17. Upewnić się, że sonda HZ56 jest wyłączona. Rys. 1. Schemat układu bazowego klucza dolnego Przetwornica przebieg impulsowy 18. Połączyć układ bazowy przetwornicy obniżającej napięcie. Z jednej sekcji nastawnej zasilacza doprowadzić napięcie do obwodu sterowania (U GG ). Z drugiej sekcji nastawnej zasilacza doprowadzić napięcie wejściowe (U i ). Do wyjścia (U o ) przyłączyć odbiornik rezystancyjny R L 4,7 Ω zestaw oporników na dużym radiatorze. Równolegle do odbiornika, w poprzecznych gniazdach jego wtyków, umieścić dostępny kondensator C. Zwrócić uwagę na jego odpowiednią polaryzację zgodnie z działaniem układu i oznaczeniem na obudowie tego elementu. W niebieską listwę zaciskową na panelu włączyć (przykręcić) dostępny dławik L. 19. Generator funkcyjny. Przebieg prostokątny (tj. o współczynniku wypełnienia 50%). Częstotliwość 20 khz. Amplituda 10 V, brak składowej stałej (Offset). Podstawowe wyjście generatora (nie TTL czy inne) połączyć z gniazdem BNC na płycie układu bazowego. 20. Sondy. Sonda napięciowa napięcie sterujące u g. Sonda prądowa A6302 prąd tranzystora i T. 21. Uruchomić obwód sterowania. Nastawić U GG = 10 V upewniając się, że pobór prądu nie przekracza kilkudziesięciu ma. PMEM 2011 4
Wyzwalanie oscyloskopu nadal z kanału napięcia, zboczem narastającym. Podstawę czasu dostosować tak, by było widocznych 3 5 okresów przebiegu. Ukryć przebieg u g na oscyloskopie. Włączyć sterowanie bramki przyciskiem na panelu powinna zaświecić się żółta kontrolka. 22. Uruchomić obwód mocy. Ograniczenie prądowe sekcji zasilającej U i nastawić na maksimum. Zwiększyć napięcie U i do 20 V upewniając się w trakcie, że prąd nie jest większy niż D 2 U i R L (gdzie D=0,5, R L podane wyżej). W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, by wyzwalanie było powtarzalne i stabilne. Dostosować wzmocnienie w torze pomiarowym prądu w sposób opisany w osobnej instrukcji do sondy prądowej. Po ostatecznym ustaleniu optymalnego wzmocnienia wzmacniacza, chwilowo odłączyć sondę od obwodu i skalibrować ją ponownie. Ponownie zapiąć sondę. Przebieg prądu powinien wypełniać ekran w pionie w maksymalnym stopniu od swojego poziomu zera, wskazywanego przez strzałkę na lewej krawędzi podziałki, do swojej wartości maksymalnej, natomiast nie może wykraczać poza ekran. 23. Zarejestrować przebieg prądu 2 sondami. Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302. Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją. Pamiętać o pozycji prostopadłej do panelu. Dostosować wzmocnienie w torze pomiarowym prądu w sposób opisany w osobnej instrukcji do sondy prądowej. Przebiegi z obu sond powinny się pokryć (pomijając ewentualny błąd sondy HZ56). Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Zapisać współczynnik przetwarzania sondy HZ56 oraz bieżące wzmocnienie wzmacniacza sondy A6302. 24. Zarejestrować przebieg prądu dla większej częstotliwości przełączania. Na generatorze zmienić częstotliwość prostokąta na 80 khz. Nie zmieniać żadnych nastaw oscyloskopu, chyba że dostosować poziom wyzwalania gdyby stało się ono niestabilne. Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56. Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302. 25. Powrócić do częstotliwości 20 khz. 26. Oscyloskop. Przełączyć sondę napięciową na napięcie na diodzie D (źródło tranzystora). Wyzwalanie zboczem opadającym. Powiększyć przebieg tak, by obserwować stan załączania (narastające zbocze prądu). Dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie było stabilne. 27. Zarejestrować przebieg prądu podczas załączania tranzystora. Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302. PMEM 2011 5
Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją. Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Sprawdzić, czy orientacja sondy HZ56 (np. nachylenie do powierzchni panelu) ma wpływ na obserwowany przebieg. Jeżeli tak pobrać dodatkowo przebieg przy innej orientacji (dowolnie wybrany wyraźnie odmienny). W arkuszu YT Sheet zmienić kolor tak uzyskanego przebiegu. 28. Odłączyć sondę prądową od układu. Wyłączyć sondę HZ56. 29. Wyłączyć układ. Sprowadzić napięcie U i do zera. Wyłączyć sterowanie przyciskiem na panelu. Sprowadzić do zera napięcie U GG. Rozłączyć układ. Do opracowania wyników potrzebne będą instrukcje obsługi badanych sond prądowych. Można je obecnie skopiować Y:\ELEMS\instrukcje_obsługi. Rys. 2. Schemat układu bazowego przetwornicy impulsowej Opracowanie wyników 1. W instrukcji obsługi każdej z sond odnaleźć i zamieścić w sprawozdaniu (maksymalne dopuszczalne wartości natężenia prądu (wystarczy skopiować jako obraz). W oparciu o nie wykazać, że sondy nie były przeciążone w żadnej części ćwiczenia. Wziąć pod uwagę również czas trwania impulsu lub częstotliwość, jeżeli z instrukcji wynika, że te parametry wpływają na ograniczenie prądu. 2. Szybkość odpowiedzi sond. Wyniki: klucz dolny, większa (pierwsza) amplitudy I Gm, narastanie i opadanie. Za pomocą kursorów Paired w WaveStarze wyznaczyć stromość (w A/µs) narastania i opadania odpowiedzi sondy HZ56. Wartości te można uznać za maksymalne osiągalne dla PMEM 2011 6
tej sondy, jeżeli odpowiedź drugiej sondy (A6302) była szybsza. Czy tak było w istocie? Stromość należy mierzyć na odcinku, na którym przebieg jest prostoliniowy. Dla sondy A6302 nie możemy określić maksymalnej osiągalnej stromości. Możemy jednak określić stromość, jaką na pewno da się jeszcze osiągnąć (nie przesądzając czy jest ona już maksymalna). Należy to zrobić w oparciu o bardziej stromy z przebiegów narastania lub opadania prądu. Porównać właściwości obu sond między sobą. Porównać zaobserwowane właściwości obu sond z danymi w instrukcji obsługi. W instrukcji podana może być stromość bezpośrednio lub czas narastania (jest to wówczas czas od 10% do 90% wartości maksymalnej dopuszczalnej, co można przeliczyć na stromość). 3. Działanie sond dla powolniejszego narastania. Wyniki: klucza dolny, mniejsza (druga) amplituda I Gm, narastanie. Wyznaczyć stromość narastania dla jednej i drugiej sondy. Czy są one obecnie zbliżone (wyraźnie bardziej niż poprzednio)? Jeżeli stromości są zbliżone, czy oznacza to, że brak wyraźnych różnic w działaniu obu sond? Jeżeli nie na czym polega ta różnica? 4. Wyznaczyć parametry odpowiedzi skokowej sond. Wyniki: klucz dolny, większa (pierwsza) amplitudy I Gm, cały impuls. Obliczyć przeregulowanie (dla sond, dla których jest widoczne), tj. różnicę I os między wartością szczytową pierwszej oscylacji I pk a poziomem ustalonym I st, podzieloną przez różnicę między wartością ustaloną przed i po narastaniu I (w tym przypadku wartość przed impulsem jest 0, stąd I = I st ). I os I pk Ist = I 0 Prąd grzbietu w układzie nie jest stały, lecz opada nie jest to wynik błędnego działania sond. Z tego powodu za wartość ustaloną można uznać np. środek drugiej oscylacji. Obliczeń dokonać dla narastania i dla opadania. Wyznaczyć procentową różnicę w odzwierciedleniu poziomu ustalonego impulsu I st między jedną a drugą sondą (za wzorzec przyjąć A6302). 5. Działanie sond w rzeczywistym przekształtniku pracującym impulsowo. Wyniki: przetwornica obniżająca, kilka okresów, dwie częstotliwości przełączania, różne orientacje sondy HZ56. Jakie różnice w przebiegu prądu przetworzonym przez jedną i drugą sondę są widoczne dla niższej częstotliwości? Za wzorzec przyjąć sondę A6302. Czy różnice są większe czy mniejsze dla wyższej częstotliwości? Które parametry ulegają szczególnie wyraźnemu pogorszeniu/poprawie? Czy pojawiły się nowe rozbieżności? Czy orientacja sondy HZ56 miała wpływ na uzyskiwany przebieg? Czy tylko sam przebieg mierzonego prądu (np. stromość) ma wpływ na błędy tej sondy? 6. Prąd załączanego tranzystora w przetwornicy. Wyniki: przetwornica obniżająca, niższa częstotliwość, narastanie. PMEM 2011 7
Jakie różnice w przebiegu prądu przetworzonym przez jedną i drugą sondę są widoczne? Która z sond pozwala z pewnością stwierdzić występowanie przepływu prądu wstecznego wyłączanej diody przez załączany tranzystor? Podsumowując powyższe, czy obie sondy pozwoliłyby poprawnie ocenić energię wydzielaną w tranzystorze podczas załączania? W sprawozdaniu należy zamieścić wszystkie oscylogramy potrzebne do wyznaczenia parametrów i przeprowadzenia analiz zawartych w sprawozdaniu. PMEM 2011 8