Målsättning: Utrustning och material: Denna laboration syftar till att ge studenten:

Transkript

1 Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet Patrik Eriksson Redigerad av Agneta Bränberg Redigerad av Johan Haake Redigerad av Agneta Bränberg TRANSISTORER

2 Målsättning: Denna laboration syftar till att ge studenten: Faktakunskaper om bipolar-transistorn och mosfet-transistorn och ett par av dess användningsområden. Erfarenhet av att konstruera kretsar med hjälp av nämnda transistor. Övning i att använda ett simuleringsverktyg. Praktisk erfarenhet av att koppla, felsöka och att mäta på kretsar. Lämplig BJT-transistor att använda kan vara BC547, BC337 eller liknande, till vilken såväl simuleringsmodell som utförliga datablad finns tillgängliga. Som mosfet-transistor används SPP80N06 till era uppkopplingar. Utrustning och material: Kopplingsplatta Strömförsörjning Funktionsgenerator och Oscilloskop Persondator med simuleringsprogrammet OrCAD Transistor BC547, BC337 eller liknande Transistor SPP80N06 Effektmotstånd 27 ohm Diverse R och C Läs igenom uppgifterna noggrant. Se till att ha klart för dig vad som eftersträvas med laborationen.

3 1. Bipolär transistor som switch Du skall konstruera en switch med hjälp av en bipolartransistor. Kom ihåg att läsa litteraturen. För vidstående switchkoppling gäller följande: I C (max) E U R CE C ( sat) För att transistorn skall bottna krävs en basström: I B I C (max) h FE Detta innebär vidare att: U in I B R B U BE (sat) fig.1 transistorswitch Arbetsgången: 1. Börja med att göra de teoretiska beräkningarna och rita ett kopplingsschema. Tänk på att vara noggrann när du ställer upp dina beräkningar och ritar din krets, så att det blir lätt att följa om du skulle behöva felsöka. a) Bestäm dig för vid vilken spänning Uin du vill att switchen ska slå om. b) Anta ett värde på R C. c) Hämta h FE, U CE(sat) och U BE(sat) ur datablad. d) Vilket värde är lämpligt att sätta som hfe? Motivera detta. e) Räkna fram ett värde på R B och ta lämpligt värde i närheten av detta. f) Vad blir då ditt teoretiska värde på U in som krävs för att transistorn skall slå om (bottna)? 2. Rita sedan in din krets i OrCAD och simulera den. Svepet bör vara ett transient-svep och insignalen en sinusvåg VSIN med amplitud på E/2 och offset E/2. Eller så kan man köra ett DC-svep och som insignal ha en likspänning VDC (0-E). Plotta diagram över Uin och Uut. Bifoga schema och simuleringsresultat. 3. När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp på kopplingsplattan. Använd samma komponenter och insignaler som vid simuleringen och verifiera att din switch fungerar som tänkt. Använd oscilloskopet och mät upp det faktiska Uin som krävs för att transistorn nätt och jämt skall bottna. Jämför med det teoretiska värde du räknat fram. Kommentera. Redovisa: 1. Konstruktionsberäkningar enligt ovan, snyggt uppställda och lätta att följa. 2. Kopplingsschema ritat i OrCAD 3. Simuleringsresultat från OrCAD 4. Diagram som visar resultatet för den verkliga kopplingen.

4 2. Bipolär transitor som signalförstärkare Du skall konstruera en småsignalförstärkare med en vanlig bipolartransistor. Lämplig transistor till denna uppgift är BC547, BC337 eller liknande, till vilken finns såväl kompletta datablad som simuleringsmodeller. När man konstruerar ett transistorsteg börjar man alltid med att bestämma vilken utimpedans som behövs, vilket bestämmer vid vilken arbetspunkt (vilopunkt) transistorn skall arbeta. Därför börjar man med DC-fallet. Lämplig utimpedansen är ca 1kohm. Välj en av följande förstärkarkopplingar: DC VCC 1. Börja med att bestämma vilken typ av bias (förspänning) kretsen ska ha, gör de teoretiska beräkningarna och rita ett kopplingsschema. Tänk på att vara noggrann när du ställer upp dina beräkningar och ritar er krets, så att det blir lätt att följa om du skulle behöva felsöka. Lämpliga tumregler finns beskrivna i Molin. Anteckna ICQ, UCEQ, IBQ och UBEQ. in Cin R1 R2 RC Tr Re RE Cut ut Ce 2. Rita in er krets i OrCAD och simulera den. Det räcker med Bias-Point för att verifiera att din arbetspunkt blev rätt. Anteckna ICQ, UCEQ, IBQ och UBEQ När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp och verifiera att din bias-koppling fungerar som det var tänkt. Anteckna ICQ, UCEQ, IBQ och UBEQ.

5 När biasen är som den skall och du har fått den arbetspunkt du tänk dig, går du över till att se på transistorsteget utifrån ett småsignalperspektiv. Konstruera kretsen för en förstärkning på ca 10ggr. AC 1. Ställ upp de teoretiska beräkningar du behöver för att bestämma vilken förstärkning din krets kommer att få. Använd dig av ett h-parameterschema eller annat småsignalschema. 2. Simulera sedan din krets i OrCAD. Kontrollera förstärkningen samt in- och utimpedansen hos kretsen. Gör även ett frekvenssvep och ta upp ett Bode-diagram. 3. Testa din uppkopplade krets och se om allt stämmer.

6 3. MOSFET-transitor som switch MOSFET-transistorn är mycket vanlig i modern elektronik, och används nästan uteslutande som switchande element. Användningsområdet sträcker sig från små enkla strömbrytare som slår till och från signaler till stora motorstyrningar på flera kilowatt. Ni ska konstruera en enkel högeffektsswitch, och undersöka två viktiga parametrar hos switchen; RDSon och gate-charge. V1 = 0V V2 = 5V TD = 0 TR = 1ps TF = 1ps PW = 1us PER = 100us V2 RG 1k G D S 0 RL M2 IRLI3705N VDD 0 Switchen består av en N-kanals MOSFET-transistor, som arbetar på låga sidan ( low side switch ). RL är lasten som ska motsvara en lampa eller motor eller annan last. Vi använder en resistor för enkelhetens skull. RG, gateresistorn, bestämmer hur fort transistorn växlar läge. Transistorns GATE-anslutning är kapacitiv, och kräver en viss mängd laddning för att slå om. 1. Börja gärna med att titta på filmen MOSFET switch infofilm och läs dokumentet MOSFET som switch. Skumma sedan teorin om MOSFET-transistorn i dokumentet Power MOSFET Basics Application Note för att hitta det som är viktigt för denna lab (du behöver inte förstå allt som står i den). Det du ska fokusera på är RDSon, Gate Charge samt hur man mäter t(on)(t3), inte td(on). Läs också i transistorns datablad. Läs speciellt om Gate charge och RDSon. a) Vad betyder begreppen? Vilken inverkan har de på effektförlusten och hur snabbt switchen slår om? Hur ser uttrycken ut där de finns med? b) Beräkna transistorns omslagstider med RG = 50 Ohm och RG = 1kOhm. Insignal ska variera mellan 0V och 5V. c) Beräkna spänningsfallet UDS och effektförlusten i transistorn när den är påslagen. VDD=12V och RL = 27Ohm. 2. Simulera i OrCAD och kontrollera om omslagstiderna är vettiga. 3. Koppla upp transistorn och kontrollera hur dina beräkningar stämmer med verkligheten. a) Kontrollera omslagstiderna genom att skicka en fyrkantsvåg som insignal till kretsen, med 0 och 5V som spänningsnivåer. RG = 50 Ohm och 1kOhm. Signalgeneratorn har en inre resistans på 50 Ohm, så för denna mätning behövs inget RG. b) Kontrollera transistorns RDSon, genom att mäta spänningsfallet UDS över transistorn. Koppla gate till 5V DC för att slå på den. OBS: Resistorn RL blir mycket varm vid mätningarna!

7 Redovisning: Skriftligt: Konstruktionsberäkningar, snyggt uppställda och lätta att följa. Kopplingsscheman ritade i OrCAD Simuleringsresultat från OrCAD Resultaten för de verkliga kopplingarna Egna kommentarer, reflektioner och jämförelser för det högre betyget.