Laboratorium z przedmiotu Półprzewodnikowe przyrzdy mocy dla semestru studiów inynierskich Elektronika i Telekomunikacja o specjalnoci Elektronika Morska wiczenie 1. Diody LED mocy Celem niniejszego wiczenia jest zbadanie wpływu warunków chłodzenia diody LED mocy na jej charakterystyki statyczne. 1. Zmierzy charakterystyki statyczne badanej diody LED mocy spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Dioda powinna by zasilana ze ródła mierzcego Keithley 2410. Badania naley przeprowadzi dla: Diody umieszczonej na płytce drukowanej (przełcznik na płycie czołowej ustawiony w pozycji D2) dla prdów diody z zakresu od 2 µa do 350 ma, Diody umieszczonej na radiatorze aluminiowym (przełcznik na płycie czołowej ustawiony w pozycji D1) dla prdów diody z zakresu od 2 µa do 1 A. Jednoczenie obu rozwaanych diod połczonych szeregowo (przełcznik na płycie czołowej ustawiony w pozycji D1+D2) dla prdów diody z zakresu od 2 µa do 350 ma. Regulacja wydajnoci ródła mierzcego Keithley 2410 odbywa si za pomoc przełczników umieszczonych na płycie czołowej tego ródła. W czasie regulacji wartoci prdu musi by odłczone wyjcie ródła mierzcego (wyłczona lampka ON/OFF). Przyciskiem Source naley wybra I, a nastpnie strzałkami ustawi podan warto prdu i wcisn przycisk Enter. Po włczeniu zaprogramowanego prdu (włczona lampka ON/OFF) przyciskami, I w sekcji Measure naley wybra pomiar napicia lub prdu diody. Oprócz napi i prdów diody naley równie rejestrowa wartoci temperatury jej obudowy T C wyznaczone za pomoc multimetru APPA 207 oraz wartoci natenia owietlenia E mierzone za pomoc luksomierza L-100. Pomiary naley wykonywa w stanie ustalonym, tzn. wtedy, gdy wartoci temperatury obudów wskazywane przez multimetry nie zmieni si bardziej ni o 0,5 K w cigu 1 minuty. 2. Zmierzy charakterystyki statyczne badanej diody LED mocy umieszczonej na radiatorze aluminiowym (przełcznik na płycie czołowej ustawiony w pozycji D1) spolaryzowanej w kierunku zaporowym. Dioda powinna by zasilana ze ródła mierzcego Keithley 2410. Badania naley przeprowadzi dla prdów diody z zakresu od 1 µa do 100 ma. Opracowanie wyników 1. Wykreli na wspólnym wykresie dla obu badanych diod zmierzone charakterystyki prdowonapiciowe, zalenoci temperatury obudowy diody od jej napicia przewodzenia oraz zalenoci natenia owietlenia od napicia przewodzenia odpowiadajce rozwaanym warunkom mocowania tych elementów. 2. Wykreli charakterystyki diody D1 spolaryzowanej zaporowo. Okreli warto napicia przebicia badanej diody. 3. Skomentowa uzyskane wyniki pomiarów. 4. Uwzgldniajc, e odległo diody od detektora luksomierza r wynosi 17 cm, wyznaczy wiatło diody I dla wszystkich zmierzonych punktów pracy. W obliczeniach naley wykorzysta wzór Lamberta-Beera dla punktowych ródeł wiatła, w których osi optycznej umieszczony jest detektor promieniowania, o postaci I E = 2 r Wykreli zalenoci I (i) dla diody zamocowanej na płytce drukowanej oraz na radiatorze. I Fmax BR P TOT(25 C) Optoplash OF-HPW5-3EL 0,8 A 5 3 W
wiczenie 2 Przełczniki elektroniczne 1. Zmierzy charakterystyki statyczne przełczników elektronicznych, o schematach pokazanych na rys.2.1. W układzie z rys.2.1 do zacisków B/G, C/D oraz E/S naley kolejno podłcza wyprowadzenia nastpujcych elementów: a. Tranzystor Darlingtona BD649 b. Tranzystor MOSFET IRF530, c. Tranzystor IGBT IRG4PC50FD. W celu wykonania pomiaru charakterystyk stycznych rozwaanego przełcznika naley: a) podłczy badany element do odpowiednich zacisków zestawu pomiarowego, b) ustawi na zewntrznym zasilaczu podłczonym do zacisków C napicie równe 10, c) regulujc wydajnoci zewntrznego zasilacza E G w zakresie od 0 do 10 wyznaczy zalenoci U CE (U B ) oraz I C (U B ). B/G C/D A R D E G E/S Rys. 2.1. Schemat układu do badania właciwoci statycznych przełczników elektronicznych 2. Zmierzy charakterystyki dynamiczne przełczników elektronicznych, o schematach pokazanych na rys.2.2. OX B/G C/D OY R C e(t) E/S Rys. 2.2. Schemat układu do badania właciwoci dynamicznych przełczników elektronicznych W układzie z rys.2.2 do zacisków B/G, C/D oraz E/S naley kolejno podłcza wyprowadzenia wszystkich rozwaanych elementów. Wartoci rezystancji rezystorów w układzie pomiarowym wynosz = 32,6 Ω oraz R C = 11,1 Ω. W celu wykonania pomiaru charakterystyk dynamicznych rozwaanego przełcznika naley: a) podłczy badany element do odpowiednich zacisków zestawu pomiarowego, b) odłczy zacisk + zasilacza E G od zestawu pomiarowego, c) ustawi na zewntrznym zasilaczu podłczonym do zacisków C napicie równe 10, d) podłczy wyjcie zewntrznego generatora sygnałowego do zestawu pomiarowego,
e) na zewntrznym generatorze sygnału prostoktnego e(t) ustawi czstotliwo sygnału wyjciowego równ 100 khz oraz poziomy napicia wyjciowego równe odpowiednio -10 oraz 10, e) naszkicowa przebiegi czasowe napi na zaciskach wejciowych i wyjciowych badanych tranzystorów 1. Narysowa zmierzone charakterystyki U CE (U B ) oraz I C (U B ) badanych elementów. 2. Wyznaczy wartoci czasów włczania t ON i wyłczania t OFF badanych elementów. 3. Skomentowa zaobserwowane rónice w przebiegu charakterystyk statycznych rozwaanych elementów oraz rónice w szybkoci przełczania tych elementów. U CEmax I Cmax P TOT(25 C) Tran. Darlingtona BD649 100 8 A 62,5 W IGBT IRG4PC50FD 600 70 A 200 W U DSmax I Dmax P TOT(25 C) MOSFET IRF530 100 14 A 79 W wiczenie 3. Tranzystor IGBT 1. W układzie pokazanym na rysunku 3.1 zmierzy nastpujce charakterystyki statyczne i(u) tranzystora IGBT w zakresie (u CE 15, i C 2 A): a) charakterystyki przejciowe i C (u GE ) dla dwóch wartoci napicia kolektor-emiter: u CE1 = 2 oraz u CE2 = 6, b) charakterystyki wyjciowe i C (u CE ) dla trzech wartoci napicia bramka-emiter: u GE1 = 5,5 ; u GE2 = 6 ; u GE3 = 6,5, przy dodatnich wartoci napicia kolektor-emiter, c) charakterystyki wyjciowe i C (u CE ) dla dwóch wartoci napicia bramka-emiter u GE1 = 0; u GE2 = 6, przy ujemnych wartociach napicia kolektor-emiter. W celu wykonania tego pomiaru naley zmieni polaryzacj napicia z zasilacza obwodu kolektora. Rys.3.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora IGBT 2. W układzie pokazanym na rysunku 3.2 zmierzy parametry dynamiczne tranzystora IGBT: a) wyznaczy czas włczania i wyłczania 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,
OX T 1 OY R C e(t) Rys.3.2. Układ do pomiaru charakterystyk dynamicznych tranzystora IGBT b) odrysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napicia bramka-emiter oraz kolektoremiter przy amplitudzie napicia bramka emiter równej u GE1 = 5 oraz u GE2 = 7,5 oraz przy napiciu zasilania równym = 20. 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. 3. Uzasadni przebieg zmierzonej charakterystyki wyjciowej i C (u CE ) badanego tranzystora dla ujemnych napi kolektor-emiter u CE < 0. 4. Wykreli zmierzon w punkcie 2a zaleno czasu włczania i wyłczania tranzystora od prdu kolektora w stanie włczenia. U CEmax I Cmax P TOT(25 C) IGBT IRG4PC40UD 600 40 A 160 W wiczenie 4. Tyrystor 1. Zmierzy statyczne charakterystyki wyjciowe 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 pomiarowych zwiksza warto dopuszczaln prdu i A tylko na tyle, by nie paliła si sygnalizacja ograniczania prdu wyjciowego tego zasilacza. W czasie pomiaru najpierw naley zwiksza warto napicia u AK a do uzyskania napicia u AK = 60 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. 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.
A T 1 E G E A Rys.4.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tyrystora ~230 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). I T U DRM SCR 10-04-5C 50 A 100 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 (wydanie 1), 1994 (wydanie 2). [5] Marciniak W.: Przyrzdy półprzewodnikowe i układy scalone. WNT, Warszawa, 1984. [6] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E.: Pomiary przyrzdów półprzewodnikowych. 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.