Laboratorium z przedmiotu „Półprzewodnikowe przyrządy mocy”

Laboratorium z przedmiotu „Półprzewodnikowe przyrz dy mocy”
dla VI semestru studiów in ynierskich Elektronika i Telekomunikacja o specjalno ci
Elektronika Morska
wiczenie 1. Przetwornice dławikowe
Zadania do wykonania w laboratorium:
1. Zmierzy charakterystyki przetwornicy BUCK w układzie pokazanym na rys.1.1. W tym
celu na płycie czołowej zestawu pomiarowego nale y wykona nast puj ce czynno ci:
IRF840
L=200 µH
C=470 µF
Uwe=20V
BY229
Uwy
R0
Rys.1.1. Schemat przetwornicy BUCK
a)
b)
c)
d)
e)
przeł cznik POMIAR przeł czy w pozycj BUCK,
przeł cznik LOOP przeł czy w pozycj BUCK,
przeł cznik P TLA przeł czy w pozycj 0,
przeł cznik Uwe przeł czy w pozycj BUCK,
zmieniaj c potencjometrem Uwe warto napi cia Uwe wyznaczy charakterystyki
Uwy(Uwe) przetwornicy przy dwóch warto ciach napi cia odniesienia UREF
(ustawianych pokr tłem UREF1 na płycie czołowej zestawu) równych kolejno 1,5 V
oraz 2,5 V. Przyj zakres zmian warto ci napi cia Uwe od 0 do 20 V,
f) zmieniaj c potencjometrem UREF1 warto napi cia UREF wyznaczy zale no
napi cia wyj ciowego przetwornicy Uwy od współczynnika wypełnienia sygnału
steruj cego bramk d=tw/TS przy rezystancji obci enia R1 = 20 Ω oraz R2 = 1
kΩ (wybieranej przeł cznikiem na płycie czołowej); warto ci czasu trwania impulsu
sygnału steruj cego bramk tranzystora tw oraz okresu tego sygnału TS nale y
zmierzy za pomoc oscyloskopu.
g) dla najwi kszej warto ci napi cia UREF zmierzy warto ci Iwe, Iwy, Uwe oraz Uwy.
2. Zmierzy charakterystyki przej ciowe przetwornicy BOOST, pokazanej na rys.1.2. W tym
celu na płycie czołowej zestawu pomiarowego nale y wykona nast puj ce czynno ci:
a) przeł cznik POMIAR przeł czy w pozycj BOOST,
b) przeł cznik LOOP przeł czy w pozycj BOOST,
L1=350µH
BY229
Uwy
IRF840
Uwe
C=470µF
R0
Rys.1.2. Schemat przetwornicy BOOST
c) przeł cznik P TLA przeł czy w pozycj 0,
d) przeł cznik Uwe przeł czy w pozycj BOOST
e) zmieniaj c potencjometrem Uwe warto napi cia wej ciowego Uwe wyznaczy
charakterystyki przej ciowe Uwy(Uwe) przetwornicy przy dwóch warto ciach napi cia
odniesienia UREF (ustawianych pokr tłem UREF1 na płycie czołowej zestawu) równych
kolejno 1,5 V oraz 2,5 V; Przyj zakres zmian warto ci napi cia Uwe od 0 do 20 V,
f) zmieniaj c potencjometrem UREF1 warto napi cia UREF wyznaczy zale no
napi cia wyj ciowego przetwornicy Uwy od współczynnika wypełnienia sygnału
steruj cego bramk d=tw/TS przy rezystancji obci enia R1 = 1 kΩ oraz R2 = 30
Ω (wybieranej przeł cznikiem na płycie czołowej); warto ci czasu trwania impulsu
sygnału steruj cego bramk tranzystora tw oraz okresu tego sygnału TS nale y
zmierzy za pomoc oscyloskopu.
g) dla najwi kszej warto ci napi cia odniesienia UREF zmierzy warto ci Iwe, Iwy, Uwe
oraz Uwy.
Zadania do wykonania w domu:
1. Wykre li zmierzone charakterystyki Uwy(Uwe) oraz Uwy(d) obu przetwornic.
2. Obliczy sprawno energetyczn η obu przetwornic korzystaj c ze wzoru
U wy ⋅ I wy
η=
U we ⋅ I we
(1.1)
3. Na podstawie zmierzonych charakterystyk Uwy(d) wyznaczy zakres regulacji napi cia
wyj ciowego obu przetwornic dla idealnych przeł czników i porówna go z wynikami
pomiarów. Skomentowa
zauwa one rozbie no ci. Dla idealnych elementów
półprzewodnikowych relacje mi dzy napi ciem wyj ciowym przetwornicy a
współczynnikiem wypełnienia sygnału steruj cego d s dane wzorami
U wy = d ⋅ U we dla przetwornicy BUCK
(1.2)
U wy =
1
⋅ U we
1− d
dla przetwornicy BOOST
(1.3)
wiczenie 2. Przetwornica półmostkowa
Zadania do wykonania w laboratorium:
1. Zmierzy charakterystyki przej ciowe Uwy(Uwe) przetwornicy półmostkowej, pokazanej
na rysunku 2.1. W tym celu na płycie czołowej zestawu pomiarowego nale y wykona
nast puj ce czynno ci:
a) przeł cznik P TLA przeł czy w pozycj 0,
b) zmieniaj c warto napi cia wej ciowego Uwe, podawanego z zewn trznego zasilacza,
wyznaczy charakterystyki przej ciowe Uwy(Uwe) przy ustalonych warto ciach
napi cia odniesienia UREF (regulowanego potencjometrem UREF1 na płycie czołowej
zestawu) równych kolejno 1,5 V oraz 2,5 V; Przyj zakres zmian warto ci napi cia
Uwe od 0 do 20 V,
c) zmieniaj c potencjometrem UREF1 warto napi cia UREF wyznaczy zale no
napi cia wyj ciowego przetwornicy Uwy od współczynnika wypełnienia sygnału
steruj cego bramk d=tw/TS przy rezystancji obci enia R1 = 20 Ω oraz R2 = 1
kΩ (wybieranej przeł cznikiem na płycie czołowej); warto ci czasu trwania impulsu
sygnału steruj cego bramk tranzystora tw oraz okresu tego sygnału TS nale y
zmierzy za pomoc oscyloskopu.
R9
T1
C1
UZ
C11
R8
US
Eg
Rw
Tr1
Uwe
D2
D1
C2
Df
Cf
R0
R11
T2
Uwy
C10
US
R10
Ed
Rys. 2.1. Schemat przetwornicy półmostkowej
d) wyznaczy zale no tw(UREF) czasu trwania impulsu steruj cego tranzystor T1 od
napi cia odniesienia, przy ustalonej warto ci napi cia wej ciowego Uwe = 20 V oraz
przy dwóch warto ciach rezystancji obci enia R1 = 20 Ω oraz R2 = 1 kΩ,
e) dla najwi kszej warto ci napi cia odniesienia UREF zmierzy warto ci Iwe, Iwy, Uwe
oraz Uwy,
2. Przerysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napi na wyj ciu sterownika (wyj cie
USERL na płycie czołowej zestawu) oraz na bramkach obu tranzystorów (wyj cia UGL oraz
UGH na płycie czołowej), odpowiadaj ce warto ci napi cia wej ciowego przetwornicy Uwe
= 20 V oraz warto ci napi cia odniesienia UREF = 2 V, przy rezystancji obci enia R1 =
20 Ω.
Zadania do wykonania w domu:
1. Narysowa zmierzone charakterystyki Uwy(Uwe) oraz Uwy(d) badanej przetwornicy
półmostkowej.
2. Wyznaczy sprawno energetyczn przetwornicy.
3. Wyja ni zaobserwowane na oscyloskopie ró nice w kształcie napi cia na bramkach
tranzystorów T1 i T2 (wyj cia UGL oraz UGH).
wiczenie 3. Tranzystor IGBT
Zadania do wykonania w laboratorium:
1. W układzie pokazanym na rysunku 3.1 zmierzy nast puj ce charakterystyki statyczne
i(u) tranzystora IGBT w zakresie (uCE 15 V, iC 2 A):
a) charakterystyki przej ciowe iC(uGE) dla dwóch warto ci napi cia kolektor-emiter:
uCE1 = 2 V oraz uCE2 = 6 V,
b) charakterystyki wyj ciowe iC(uCE) dla trzech warto ci napi cia bramka-emiter: uGE1 =
5,5 V; uGE2 = 6 V; uGE3 = 6,5 V, przy dodatnich warto ci napi cia kolektor-emiter,
c) charakterystyki wyj ciowe iC(uCE) dla dwóch warto ci napi cia bramka-emiter uGE1 =
0; uGE2 = 6 V, przy ujemnych warto ciach napi cia kolektor-emiter. W celu
wykonania tego pomiaru nale y zmieni polaryzacj napi cia z zasilacza obwodu
kolektora EC.
Rys.3.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora IGBT
2. W układzie pokazanym na rysunku 3.2 zmierzy parametry dynamiczne tranzystora
IGBT:
OX
RG
T1
RC
OY
EC
e(t)
Rys.3.2. Układ do pomiaru charakterystyk dynamicznych tranzystora IGBT
a) wyznaczy czas wł czania i wył czania tranzystora przy pobudzeniu e(t) sygnałem
prostok tnym o cz stotliwo ci f = 5 kHz, dla pr dów wł czenia kolejno o
warto ciach: iC = 0,1 A, 0,5 A, 1 A, 2A,
b) odrysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napi cia bramka-emiter oraz kolektoremiter przy amplitudzie napi cia bramka – emiter równej uGE1 = 5 V oraz uGE2 = 7,5
V oraz przy napi ciu zasilania równym EC = 20 V.
Zadania do wykonania w domu:
1. Wykre li zmierzone w punkcie 1 charakterystyki statyczne badanego tranzystora.
2. Wyznaczy warto napi cia progowego Up, jako warto napi cia bramka-emiter,
odpowiadaj c pr dowi kolektora równemu 10 µA przy napi ciu UCE = 6 V.
3. Uzasadni przebieg zmierzonej charakterystyki wyj ciowej iC(uCE) badanego tranzystora
dla ujemnych napi kolektor-emiter uCE < 0.
4. Wykre li zmierzon w punkcie 2a zale no czasu wł czania i wył czania tranzystora od
pr du kolektora w stanie wł czenia.
Dane katalogowe badanego elementu:
IGBT IRG4PC40UD
UCEmax
600 V
ICmax
40 A
PTOT(25’C)
160 W
wiczenie 4. Tyrystor
Zadania do wykonania w laboratorium:
1. Zmierzy statyczne charakterystyki wyj ciowe iA(uAK) tyrystora w układzie z rys.4.1. przy
nast puj cych warto ciach pr du bramki: iG1 = 5 mA, iG2 = 10,6 mA, iG3 = 15 mA. Przed
rozpocz ciem pomiarów nale y ustawi pokr tło ograniczenia pr dowego w zasilaczu EA
na minimum i w kolejnych punktach pomiarowych zwi ksza warto dopuszczaln
pr du iA tylko na tyle, by nie paliła si sygnalizacja ograniczania pr du wyj ciowego tego
zasilacza. W czasie pomiaru najpierw nale y zwi ksza warto napi cia uAK a do
uzyskania napi cia uAK = 60 V lub do uzyskania pr du iA = 2.5 A. Nast pnie nale y
zmniejsza warto napi cia uAK do zera. W ten sposób uzyskana zastania charakterystyka
tyrystora w zakresie blokowania i wł czenia.
A
RG
EG
T1
EA
V
V
Rys.4.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tyrystora
2. Wyznaczy czasowe przebiegi napi uAK oraz uGK tyrystora przy pracy dynamicznej.
Odrysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napi cia uAK(t) oraz uGK(t) w układzie do
płynnej regulacji mocy, pokazanym na rys. 4.2., odpowiadaj ce dwom warto ciom k ta
komutacji tyrystora, regulowanego pokr tłem na płycie czołowej zestawu pomiarowego,
przy najwi kszym i najmniejszym nat eniu wiatła emitowanego przez arówk .
D1
P1
Tr
T1
R1
C1
RG
R2
Q2
R4
Q1
~230V
R3
Rys.4.2. Układ płynnej regulacji mocy
Zadania do wykonania w domu:
1. Wykre li zmierzone w punkcie 1 charakterystyki statyczne tyrystora.
2. Wyznaczy warto pr du podtrzymania tyrystora IL na podstawie uzyskanych w punkcie
1 charakterystyk statycznych.
3. Skomentowa zmierzone przebiegi napi uAK(t) oraz uGK(t).
Dane katalogowe badanego elementu:
SCR 10-04-5C
IT
50 A
UDRM
100 V
Literatura pomocnicza
[1] Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa, 1987.
[2] Borkowski A.: Zasilanie urz dze elektronicznych. WKiŁ, Warszawa, 1990.
[3] Napieralski A., Napieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrz dy du ej mocy. WNT,
Warszawa, 1995.
[4] Stepowicz W.J., Zar bski J.: Laboratorium z elementów elektronicznych. Wydawnictwo
WSM w Gdyni, Gdynia 1989 (wydanie 1), 1994 (wydanie 2).
[5] Marciniak W.: Przyrz dy półprzewodnikowe i układy scalone. WNT, Warszawa, 1984.
[6] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E.: Pomiary przyrz dów półprzewodnikowych.
WKiŁ, Warszawa 1990.
[7] Górecki K.: Układy przetwarzania energii elektrycznej w elektronice. Podr cznik dla
studium podyplomowego Elektroniczne elementy i układy mocy, Wydawnictwo Tekst,
Bydgoszcz, 2009.
[8] Zar bski J.: Półprzewodnikowe elementy mocy. Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz, 2009.