AGH Kaedra Elekroniki Podsawy Elekroniki dla Elekroechniki Klucze Insrukcja do ćwiczeń symulacyjnych (5a) Insrukcja do ćwiczeń sprzęowych (5b) Ćwiczenie 5a, 5b 2015 r. 1
1. Wsęp. Celem ćwiczenia jes ugrunowanie wiadomości doyczących podsawowych układów i paramerów kluczy elekronicznych zrealizowanych w oparciu o ranzysor bipolarny npn oraz unipolarny NMOS z kanałem wzbogacanym. Ćwiczenie składa się z części symulacyjnej przeprowadzonej w programie MULTISIM oraz z części sprzęowej, w czasie kórej nasępuje weryfikacja symulacji. Ćwiczenie obejmuje pomiar czasów przełączania ranzysorów bipolarnych oraz NMOS oraz poznanie czynników wpływających na e czasy przełączania. 2. Konspek Przed przysąpieniem do ćwiczenia należy przygoować konspek - wspólny dla części symulacyjnej i sprzęowej zawierający podsawowe wiadomości o rzech sanach pracy ranzysora bipolarnego w obszarze jego charakerysyk saycznych (san nasycenia, akywny, odcięcia), właściwości ranzysora bipolarnego w każdym z ych sanów, charakerysyki ranzysora unipolarnego NMOS, rzy sany pracy ranzysora NMOS, właściwości, sany przejściowe przy szybkim przełączaniu ranzysorów bipolarnych i unipolarnych, definicje czasów przełączania kluczy ranzysorowych, schemay układów, w kórych ranzysory pracują jako klucze. 3. Insrukcja do ćwiczeń symulacyjnych Część I. Symulacja klucza z ranzysorem bipolarnym npn W programie Mulisim narysuj układ klucza z ranzysorem bipolarnym npn (rys.1). Na wejście układu podawany jes sygnał prosokąny o zadanej częsoliwości (np. 50 khz) i różnych poziomach napięć E F i E R. u we [V] E F -E R [s] Rys. 1. Układ klucza z ranzysorem bipolarnym npn 2
Poziomy napięć E F i E R usala się za pomocą odpowiednich nasaw Ampliudy i Offse na generaorze. Za pomocą analizy Transien zmierz charakerysyczne czasy dla przełączania ranzysora bipolarnego (rys.2). Rys. 2. Czasy przełączania ranzysora bipolarnego Faza włączenia ranzysora: d czas opóźnienia włączenia ranzysora (delay ime) czas pomiędzy począkiem impulsu wejściowego a chwilą gdy prąd kolekora jes równy 10% swojej warości max, r czas narasania (rise ime ) czas, w kórym prąd kolekora rośnie od 10% do 90% warości maksymalnej ON czas włączenia ON d r Faza wyłączenia ranzysora: s czas magazynowania (sorage ime) lub czas przeciągania prądu kolekora czas między wyłączeniem impulsu wejściowego a chwilą gdy prąd kolekora osiąga 90% swojej warości max, 3
f czas opadania (fall ime) - czas, w kórym prąd kolekora maleje od 90% do 10% warości maksymalnej, OFF czas wyłączenia OFF s Wyniki zanouj w abeli 1: f Tabela 1. Czasy przełączania ranzysora bipolarnego dla różnych poziomów sygnału wejściowego z generaora. Wyniki symulacyjne. Poziomy sygnału wejściowego E F =5V E R =0V E F =5V E R =-5V E F =5V E R =-10V Ampliuda Offse Ampliuda: 2,5Vpp Offse: -2,5Vpp Ampliuda:... Offse:... Ampliuda:... Offse:... d r s f ON OFF Zasanów się jak usawić na generaorze zadane poziomy sygnału wejściowego za pomocą usawienia ampliudy i zw. offseu na generaorze. Przykładowe usawienie podane jes dla poziomu E F =5V, E R =0V. Pozosałe nasawy należy uzupełnić samodzielnie. Czasy przełączania ranzysora bipolarnego zależą od pojemności złączowych ranzysora C je, C jc oraz od poziomu napięć załączających E F i E R np. dla czasu opóźnienia przy włączeniu ranzysora bipolarnego d obowiązuje zależność : d R B C je C jc E ln E F E U F R BEP Pełna informacja o czasach przełączania ranzysora bipolarnego wraz z opisującymi je zależnościami jes zawara w wykładzie. Na podsawie przeprowadzonych pomiarów czasów przełączania ranzysora bipolarnego wybierz e poziomy napięć przełączających E F i E R, dla kórych czasy przełączania ranzysora badanego są najkrósze. 4
Czas przełączania ranzysora bipolarnego można skrócić przez zasosowanie zw. pojemności przyspieszającej bocznikującej rezysor w bazie ranzysora. Dołącz równolegle do rezysora R 2 (w bazie ranzysora) kondensaor C 2 =120 pf i ponownie zmierz czasy przełączania ranzysora ( ylko dla jednego wybranego usawienia poziomów E F i E R ). Wyniki zanouj w abeli 2. W jakim sopniu wpływa kondensaor C 2 na skrócenie czasów przełączania ranzysora bipolarnego? Tabela 2. Czasy przełączania ranzysora bipolarnego dla wybranych poziomów sygnału wejściowego po dołączeniu kondensaora C 2 =120pF równoległe do rezysora R 2 w bazie ranzysora. Wyniki symulacyjne. Poziomy sygnału wejściowego E F =... E R =... Ampliuda Offse Ampliuda:...Vpp Offse:...Vpp d r s f ON OFF Część II. Symulacja klucza z ranzysorem unipolarnym NMOS 1. Wyznaczenie warości napięcia progowego U T ranzysora unipolarnego NMOS Isonym paramerem charakeryzującym ranzysor unipolarny jes napięcie progowe U T. Tranzysor zaczyna przewodzić gdy napięcie U GS między źródłem a bramką ranzysora saje się większe od napięcia progowego U T czyli U GS > U T. W celu usalenia warości napięcia progowego U T dla ranzysora IRF540 (NMOS wzbogacony) sosowanego w dalszych symulacjach uwórz obwód elekryczny z rys. 3. Na bramkę ranzysora podaj sygnał liniowo narasający o niskiej częsoliwości np. sygnał rójkąny o paramerach jak na meryczce generaora. Zaobserwuj na oscyloskopie przebieg napięcia serującego U GS oraz napięcia U DS na drenie ranzysora. Uchwyć momen, w kórym ranzysor ulega załączeniu i odczyaj dla jakiej warości U GS o nasępuje. Zauważ, że o U GS =U T. Dokładną warość warość napięcia progowego U T wyznacz za pomocą analizy przejściowej. Zanouj: U T =... 5
Rys. 3. Układ do wyznaczenia napięcia progowego ranzysora unipolarnego NMOS 2. Tranzysor unipolarny jako układ przełączający W programie Mulisim zbuduj układ przełączający z ranzysorem unipolarnym NMOS (rys. 4). Rys. 4. Układ przełączający z ranzysorem unipolarnym NMOS 6
Na wejście układu podaj z generaora sygnał prosokąny o częsoliwości 100 khz i współczynniku wypełnienia (duy cycle) 50% oraz wybranym górnym poziomem wejściowego napięcia przełączającego E F i dolnym poziomem napięcia przełączającego E R. Poziomy e usala się dobierając nasawy: Ampliuda oraz Offse na generaorze. Zasosuj oscyloskop czerokanałowy i zaobserwuj przebieg napięć przełączających z generaora e(), przebieg napięcia na bramce ranzysora oraz przebieg napięcia na drenie ranzysora. Za pomocą analizy Transien zmierz charakerysyczne czasy przełączania ranzysora unipolarnego (rys. 5). Wyniki zanouj w abeli 3. e() E F E R u GS () U T i D 90% 10% u DS () 90% 10% (on) d r (off) d f on off Rys 5. Czasy przełączania ranzysora NMOS d(on) czas opóźnienia włączenia ranzysora, r czas narasania prądu drenu (rise ime), d(off) czas opóźnienia wyłączenia ranzysora, f czas opadania prądu drenu (fall ime). 7
Faza włączenia ranzysora: d(on) czas opóźnienia włączenia ranzysora (delay ime) czas pomiędzy począkiem impulsu wejściowego, a chwilą gdy napięcie na bramce osiągnie warość napięcia załączania (progowego), r czas narasania (rise ime ) - czas, w kórym napięcie drenu zmaleje od poziomu 90% do poziomu 10% warości max, ON czas włączania ranzysora, ON = d(on) + r, Faza wyłączenia ranzysora: d(off) czas opóźnienia wyłączenia ranzysora (delay ime) czas pomiędzy końcem impulsu wejściowego a chwilą gdy napięcie na bramce zmaleje do warości napięcia progowego, f czas opadania (fall ime)- czas, w kórym napięcie na drenie wzrośnie od poziomu 10% do poziomu 90% warości max, OFF - czas wyłączania ranzysora OFF = d(off) + f, Czasy przełączania ranzysora unipolarnego zależą od napięcia progowego U T oraz od poziomów napięć załączających E F i E R np. dla czasu opóźnienia przy włączeniu ranzysora unipolarnego d(on) obowiązuje zależność : d ln 1 E E F F E U T R Pełna informacja o czasach przełączania ranzysora wraz z opisującymi je zależnościami jes zawara w wykładzie. Tabela 3 Czasy przełączania ranzysora NMOS dla różnych poziomów napięcia EF i ER. Wyniki symulacyjne. Poziomy sygnału wejściowego EF=10V ER=0V Ampliuda Offse V.V d (on) r d (off) f ON = d (on)+ r OFF = d (off)+ f EF=10V 8
ER=-5V EF = 5 V ER = 0 V EF=5V ER=-5V Wybierz akie paramery impulsów serujących, aby warości opóźnień dla procesu załączania i procesu wyłączania ranzysora NMOS były zbliżone. 4. Insrukcja do ćwiczeń sprzęowych 4.1. Pomiary czasów przełączania ranzysora bipolarnego Na plaformie Elvis zmonuj układ przedsawiony na rys. 7. Do serowania ranzysora zasosuj generaor wirualny. Dobierz częsoliwość sygnału prosokąnego w granicach od 30 khz do 100 khz oraz górny poziom wejściowego napięcia przełączającego E F i dolny poziom napięcia przełączającego E R wg abeli 4. Dołącz wirualne źródło napięcia sałego DC Power Supply 5V. Do obserwacji przebiegów napięcia na bazie ranzysora i przebiegów napięcia na kolekorze ranzysora zasosuj oscyloskop rzeczywisy. Kondensaor C 1 służy do odfilrowania zakłóceń. Zasosuj ryb DC do obserwacji przebiegów na oscyloskopie. Rys. 7. Układ do pomiaru czasów przełączania ranzysora bipolarnego Zmierz nasępujące czasy przełączania ranzysora bipolarnego BD135, kierując się definicjami czasów podanymi w części symulacyjnej ćwiczenia : d czas opóźnienia przy włączeniu ranzysora, r czas narasania, ON czas włączenia s czas magazynowania, f czas opadania, OFF czas wyłączenia 9
Tabela 4. Czasy przełączania ranzysora bi polarnego dla różnych poziomów sygnału wejściowego z generaora. Wyniki sprzęowe. Poziomy sygnału wejściowego E F =5V E R =0V d r s f ON OFF E F =5V E R =-5V 4.1. Pomiary czasów przełączania ranzysora unipolarnego Na plaformie Elvis zmonuj układ przedsawiony na rys. 7. Do serowania ranzysora zasosuj generaor wirualny. Dobierz częsoliwość sygnału prosokąnego w granicach od 30 khz do 100 khz oraz górny poziomwejściowego napięcia przełączającego E F i dolny poziom napięcia przełączającego E R wg abeli 5. Dołącz wirualne źródło napięcia sałego DC Power Supply 15V. Do obserwacji przebiegów napięcia na bramce ranzysora, przebiegów napięcia na drenie ranzysora oraz na bramce ranzysora zasosuj oscyloskop rzeczywisy. Podłącz się do bramki ranzysora za pośrednicwem dodakowej sondy i wykorzysaj rzeci kanał oscyloskopu. Rys. 7. Układ do pomiaru czasów przełączania ranzysora unipolarnego Zmierz nasępujące czasy przełączania ranzysora unipolarnego IRF 540, kierując się definicjami czasów podanymi w części symulacyjnej ćwiczenia : d(on) czas opóźnienia przy włączeniu ranzysora, r czas narasania, ON czas włączenia d(off) czas opóźnienia przy wyłączeniu ranzysora, f czas opadania, OFF czas wyłączenia. 10
Uzupełnij abelę 5 dla dwóch opymalnych wybranych na podsawie symulacji poziomów napięć załączających. Tabela 5. Czasy przełączania ranzysora NMOS dla różnych poziomów napięcia E F i E R. Wyniki sprzęowe. Poziomy sygnału wejściowego E F =... E R =... E F =... E R =... d (on) r ON = d (on)+ r d (off) f OFF = d (off)+ f Lieraura: Wykład Dr M. Sapor, S. Kua Elemeny i układy elekroniczne Opracowanie: B. Dziurdzia, M. Sapor, Zb. Magoński,, 2015. 11