UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Bo Tannfors Transistorswitchen. Laboration E25 ELEKTRO

Transkript

1 UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Bo Tannfors Transistorswitchen Laboration E25 ELEKTRO

2 Laboration E25 Transistorswitchen 2 Nyckelord Switch, bottnad- och strypt transistor, bipolär-, fälteffekt-transistor, till- och frånslagstider, stigtid, tillslagsfördröjning, efterledningstid, falltid, speeding-kondensator, clamp-diod, switch, saturated- and cutoff transistor, bipolar, field effect transistor, turn on- and turn off time, rise time, delay time, storage time, fall time, speeding capacitor, clamping diod. Målsättning Denna laboration har som mål att ge dig grundläggande kunskap om transistorswitchen och dess statiska- och dynamiska egenskaper vid till- och frånslag. Teori Läs i din kursbok med ledning av tex nyckelorden och bokens indexregister! Inledning och innehåll Laborationen består praktiskt av att du mäter på en switch med den bipolära transistorn (BJT) för att först bestämma DC-egenskaper och därefter bestämma dynamiska egenskaper i form av till- och frånslagstider. I det senare momentet sätter du även in olika komponenter för att påverka switchens snabbhet. Avslutningsvis kopplar du upp en switch med en fälteffekt-transistor (FET), testar funktionen, bestämmer switchens styrspänning och mäter switchens ledningsresistans. Förteckning över uppgifter: Förberedelser Teoretiska frågor och beräkningar sidan 3 Uppgift 1 Bestämning av BJT-switchens DC-egenskaper 4 Uppgift 2 Bestämning av BJT-switchens dynamiska egenskaper 6 Uppgift 3 Åtgärder för att öka BJT-switchens snabbhet 7 Uppgift 4 Test/mätning på en FET-switch 8

3 Laboration E25 Transistorswitchen 3 Varje uppgift är indelad i två avsnitt: Ett teoretiskt och ett praktiskt avsnitt: Teori: Här finns uppgifter som du gör som förberedelser innan du går till laborationslokalen. Praktik: I denna del kopplar du upp och gör mätningar på switch-kretsarna. Förberedelseuppgifter De förberedelseuppgifter som följer i detta stycke har två syften: - Att underlätta för dig att läsa in respektive teoriavsnitt. - att hjälpa dig att nyttja tiden mer effektivt i laborationslokalen så att du hinner göra laborationen färdig på avsedd tid. För att utföra laborationen behöver du dessförinnan läsa in kunskaper motsvarandede teoretiska delarna i uppgift 1, 2, 3 och 4. Du skall även i de teoretiska delarna göra vissa beräkningar som är en förutsättning i de praktiska momenten. Efter utförd laboration redovisar du de praktiska momenten enligt avsnitt "redovisning". Ingen av förberedelse/teoriuppgifterna skall direkt besvaras i den skriftliga redovisningen - De är till för självhjälp och du använder motsvarande fakta som underlag när du arbetar vidare med laborationen. Förberedelseuppgifter ( som ej kräver praktiska/laborativa moment): I Gör uppgift ! II Gör uppgift 2.1! III Gör uppgift IV Gör uppgift ! Material Du behöver: En spänningskälla, signalgenerator, oscilloskop, kopplingsdeck samt en bipolär- respektive en FET-transistor, en diod, en schottkydiod förutom vanliga passiva komponenter.

4 Laboration E25 Transistorswitchen 4 Utförande Uppgifter Switch med bipolartransistorn ( BJT ) 1 BJT-switchens DC-egenskaper vid bottning Transistorswitchens funktion bestäms till stor del av de statiska (DC) egenskaper som definierar tillstånden strypning respektive bottning. Speciellt skall DC-egenskaperna vid bottning studeras här. Ett exempel på en switch med bipolartransistorn har följande schema: E Rc Rb T1 Uut Uin - - E 5.0 V T1 BC 548B Rb 10 k Ω Rc 1 k Ω Figur 1: Kretsschema på en transistorswitch. Teoretisk del 1.1 Visa att för switchens kollektorström (I C ) gäller: E UCE ( sat) I C(max) = R C 1.2 Vad är definitionen på h FE? Vilka värden har transistorn i figur 1 enligt datablad på h FE ( min- och maxvärde ), U BE (sat), U CE (sat)?

5 Laboration E25 Transistorswitchen Motsvarande basström ( I B ) till kollektorströmmen enl. uppgift 1.1 har sambandet: I C (max) I B (min) = h FE Vad är minsta I B (min) för switchen som bottnar även den "svagaste" BC548B-transistor? Vilket värde på h FE valde du och varför just detta? 1.4 När spänningen Uin har följande värden bottnar switchens transistor: Uin(sat) I B (min) * R B U BE (sat) Vilket teoretiskt värde får du på spänningen Uin(sat) som bottnar transistorn på switchen? Praktisk del: 1.5 Koppla upp kretsen enligt figur 1 ( förbered ev. redan nu för uppgift 1.6 ). Låt Uin vara en likspänning med värdet på bottnadsspänningen enligt det värde du fick i uppgift 1.4. Redovisa svaren till följande frågor i bifogat formulär! a) Hur stor är kollektor-emitterspänningen ( U CE )? b) Hur stor är basströmmen I B? c) Har transistorn bottnat? 1.6 Mät det h FE som gäller för den transistor som sitter i din switch! Mät inom det linjära området! Ledning: Switchens linjära område kan med basströmmen definieras av följande undre- och övre gräns så att även den "starkaste transistorindividen" ej skall bottna: 0 < I B < I (max) där I (max) har sambandet: B B IC(max) IB(max) = h (max) FE 1.7 a) Vilket värde på Uin bottnar nätt och jämnt transistorn i din switch? Ledning: Med uppmätt värde på h FE kan spänningen beräknas bättre än tidigare. b) Vilken basström har du då? 1.8 Jämför teoretiska- med praktiska resultat och kommentera! Spara uppkopplingen till uppgift 2 och 3!

6 Laboration E25 Transistorswitchen 6 BJT-switchens dynamiska egenskaper Switchens dynamiska egenskaper kan beskrivas med till- och frånslagstider. Dessa tider påverkas stort av kapacitanser i kretsen vilket du praktiskt skall studera närmare i uppgift 2. Därefter, i uppgift 3, mäter du praktiskt effekterna av att switchen förses med clampdiod och du jämför olika metoder för att påverka switchens snabbhet. 2 BJT-switch med kapacitans Teoretisk del 2.1 Vad består tillslagstiden av ( nämn två tidskomponenter )? Samma fråga för frånslagstiden. Hur definieras var och en av de fyra tidskomponenterna? Ledning: Se din kursbok eller se bilaga 1! 2.2 Hur och varför påverkas switchens omslagstider av en speedingkondensator ( placerad parallellt med basmotståndet )? Praktisk del: 2.3 Koppla in en signalgenerator till din switch ( enligt uppgift 1 )! Låt Uin vara en fyrkantvåg med pulshöjden 5 V ( 0-5 V ), frekvensen 100 khz och pulslängden 2 µ s. Mät spänningen Uut och redovisa grafiskt spänningen Uin resp. Uut i ett tidsdiagram som du låter datorn rita då du har ett digitalt oscilloskop! Mäter du med ett analogt oscilloskop så använd bifogat formulär! 2.4 Koppla in en speeding-kondensator på tex 100 pf! Mät spänningen Uut och redovisa den grafiskt med hjälp av dator/digitalt oscilloskop ( eller med bif. formulär om du använder analogt oscilloskop)! 2.5 Vad händer med en speeding-kondensator som har större kapacitans? Redovisa grafiskt! 2.6 Kommentera ditt resultat från uppgift 2.4 och 2.5 och dra slutsatser!

7 Laboration E25 Transistorswitchen 7 3 BJT-switch med clamp-diod Teoretisk del 3.1 Varför är en transistorswitch som är hårt bottnad relativt långsam? Är det tillslags- eller frånslagstiden som är "flaskhalsen"? Ledning: Se din kursbok eller se bilaga 2! 3.2 Vad menas med "clampad" transistorswitch? Var sätts dioden in och vilken funktion har denna diod? Vad är det för skillnad om clamp-elementet består av en germanium-, kiseleller en Schottky-diod? Hur ser symbolen ut för en Schottky-diod och hur ser symbolen ut för en transistor med inbyggd Schottky clamp-diod? Praktisk del: 3.3 Koppla in en kondensator (C ) och en Schottky-diod (D) i tur och ordning enligt schemat och tabellen här intill ( fyra olika fall )! Mät frånslagstiderna i respektive fall! Redovisa dina mätresultat i bifogat formulär! 5.0 V Uin - C 10 k D BC 548B 1 k Uut - Alternativ Med C Med D Fall 1 Nej Nej Fall 2 Ja Nej Fall 3 Nej Ja Fall 4 Ja Ja Fig Schema för en BJT-switch. Tabell: Olika kopplingsalternativ. 3.4 Kommentera dina resultat och dra slutsatser!

8 Laboration E25 Transistorswitchen 8 4 En FET-switch En switch kan med fördel konstrueras med fälteffekt-transistorn. Förutom att ge funktionen TILL respektive FRÅN så kan switchen i läget TILL ge analog information om hur stor spänningen är ( kretsen utgör en analog switch, jämför med högra delen i figur 4.1 ) Den FET-switch du skall studera har schema och funktion enligt fig 4.1. R L anger en last på 10 k Ω. D 2N 3819 S 100 k Uin G Uut - - RL 1N V Ustyr 0 V Uin - Ustyr Uut - RL Figur 4.1: En FET-switch med en N-kanals JFET. Kretsschema resp. principiell funktion. Teoretisk del Läs först din kurslitteratur om fälteffekt-transistorn! Studera speciellt avsnitt om JFET och tillhörande grafer som beskriver den ström som går genom transistorn ( hur den beror på olika spänningsnivåer runt transistorn )! 4.1 Switchläge FRÅN ( strypt ) Vilken Gate-spänning försätter en n-kanals JFET i läge FRÅN? Ledning: Se bilaga 3! Vilken pinch off-spänning ( Vp, som allra mest negativ ) gäller enligt datablad för transistorn i switchen enligt figur 4.1? 4.2 Switchläge TILL och linjär Vilka villkor beskriver transistorns linjära resistor-område? Ledning: Se bilaga 3!

9 Laboration E25 Transistorswitchen Switchläge TILL som strömgenerator Vilka villkor beskriver en n-kanals JFET för att den skall befinna sig i det aktiva - sk pinch off-området - då den uppför sig som en spänningsstyrd konstantström-generator? Ledning: Se Bilaga 3! Vilken max. spänning (U DS ) får absolut ej överskridas - den spänning som skadar transistorn? 4.4 En ideal switch har i läge FRÅN ( öppen kontakt ) och i läge TILL ( sluten kontakt ) motsvarande resistans R off = Ω respektive R on = 0 Ω. Ange en praktisk metod ( med tex spänningsmätning) att mäta R on! Praktisk del: 4.5 Koppla upp din switch enligt figur 4.1! Om du kopplar ett oscilloskop till utgången låt parallellmotståndet R L på 10 k ### vara kvar i kopplingen ( oscilloskopet har hög resistans och motståndet gör transistorns ström I D mera mätbar )! Testa funktionen genom att till Uin ansluta en likspänning på 5 V. a) Lägg styrsignalingången ( Ustyr ) först till spänningen 15 V. Vad kommer på utgången ( Uut )? b) Låt Ustyr vara 0 respektive -15V. Vilken spänning får utgången? c) Vilken spänning på Ustyr motsvarar TILL respektive FRÅN på switchen? d) Vad händer med switchens funktion då du vänder transistorn ( låter Drain och Source byta plats i kopplingen )? 4.6 Mät Ron på din switch med den metod du föreslog i uppgift 4.4!

10 Laboration E25 Transistorswitchen 10 Redovisning Du redovisar din laborationen enligt: Alternativ 1: Redovisa enligt kursansvarig lärares anvisningar (gäller i första hand). Alternativ 2: Redovisa dina praktiska resultat med kommentarer enligt bifogat formulär ( gäller om kursansvarig ej meddelat annat). Anm. Dina svar på direkta frågor i teoridelen skall ej redovisas! Undantag : Indirekt svar vid tex en jämförelse. Plocka loss och lämna in de efterföljande formulärbladen när du redovisar laborationen!

11 Laboration E25 Transistorswitchen 11 Tillslags- och frånslagstider BILAGA 1 De termer som beskriver tillslags- och frånslagstider på ett pulssvar har följande beteckningar: tillslagstid ( turn on time ) t on frånslagstid ( turn off time ) t off stigtid ( rise time ) t r falltid ( fall time ) t f tillslagsfördröjning ( delay time ) t d efterledningstid (storage time ) t s Hur de definieras framgår av följande figur där strömmar och spänningar motsvarar förhållanden enligt figur 1 ( i uppgift 1 ). Ib 0 Ic 90% 0 tr ts tf TID 10% 0 td TID Uce 90% 10% 0 tdtr=ton tstf=toff TID Figur: Till- och frånslagstider.

12 Laboration E25 Transistorswitchen 12 Clampad transistorswitch BILAGA 2 För att bipolartransistorn skall få snabba omslag så får ej transistorn bottnas hårt. Vid hård bottning ( stor basström ) bildas nämligen en stor överskottsladdning som lagras på basen till transistorn. Vid frånslag måste först överskottet transporteras bort och därefter kan egentliga switchomslaget ske. En teknik som tidigt användes för att öka snabbheten hos transistorswitchar var att använda en clamp-diod av germanium (Ge) tillsammans med en transistor av kisel (Si ) med samma inkoppling av dioden som i figur 3.1 ( se uppgift 3, fast där är i stället en annan typ av diod inritad ). Germanium-dioden har ett framspänningsfall på ca V jämfört med V för bas-emitter-övergången hos kiseltransistorn. Se figuren " Karakteristikor för pn-övergångar" If ( relativ ström ) Ge Uf [V] Ki 1.0 När transistorn drivs mot bottning, kommer dioden att börja leda och den överskottsladdning som finns på basen förs över till kollektorn. Detta medför att transistorn aldrig bottnar fullständigt. Clamp-dioden bidrar därmed till en kraftig reducering av switchens frånslagstid. Figur: Karakteristikor för pn-övergångar Man får en ännu bättre effekt om man använder en sk Schottky-diod. Denna diod består av en övergång mellan en metall och en kraftigt dopad halvledare av kisel. I övergången mellan metall och halvledare byggs en potentialbarriär upp genom att några elektroner går över från kisel till metallen. Vid positiv ökande anodspänning minskar barriärens bredd och diodens framström ökar snabbt. anod B katod C Eftersom Schottky-dioden har ett lågt framspänningsfall på ca 0.3 V kan den clampa en kiseltransistor. Symbolen för en Schottky-diod resp. för en transistor med Schottky- clamp-diod framgår av vidstående figur. E Figur: Symbol för Schottky-diod och Schottky-clampad transistor.

13 Laboration E25 Transistorswitchen 13 JFET transistorswitch BILAGA 3 Switchen med en n-jfet kan beskrivas med lägena FRÅN - strypt, TILL - linjär som resistor samt med läget TILL - som strömgenerator. Läget FRÅN ( strypt, motsvarar öppen kontakt ) beskrivs normalt av sambandet: U GS < Vp där Vp är pinch off - spänningen ( ett negativt värde ). Resistansen mellan Drain och Source är då väldigt hög. G D ID S UDS - RDS Figur: 4.2 n-kanals JFET med strömriktning så att U DS är positiv. Switchens ekvivalenta resistans mellan D och S betecknas här R DS. Switchläge TILL och linjär När transistorn är i läge ej FRÅN ( ej strypt) och när spänningen mellan Drain och Source ( U DS ) är tillräckligt liten - klart mindre än Vp - så arbetar transistorn i det linjära området ( likt en linjär resistor mellan Source och Drain ). Switchläge TILL och stömgenerator ( aktivt pinch-off ) De villkor som beskriver en n-kanals JFET för att den skall befinna sig i det aktiva- sk pinch off-området - då den uppför sig som en spänningsstyrd konstantström-generator beskrivs av följande: o Transistorn skall ej vara strypt ( ej i läge FRÅN ) o Transistor skall ej vara i läge TILL linjär o Spänningen U DS skall vara tillräckligt stor till beloppet ; större än Vp. Kontrollera med datablad hur stor stora spänningarna ( U DS och U GS ) maximalt får vara utan att din transistor förstörs!

14 REDOVISNING AV LABORATION E25 TRANSISTORSWITCHEN Personalia: Namn: Program/Kurs: Datum: Återlämnad (ej godkänd): Rättningsdatum Kommentarer Godkänd: Rättningsdatum Signatur Kommentarer

15 Laboration E25 Transistorswitchen Formulär till laboration E25 Uppgift 1.5 a U CE = b I B = c Bottnad eller Ej bottnad : 1.6 h FE = 1.7 a Uin(nätt och jämnt bottnad)= b I B = 1.8 Jämförelse mellan teoretiska och uppmätta värden med kommentarer:

16 Laboration E25 Transistorswitchen Uppgift 2.3 Uin i ett tidsdiagram: ( redovisas här eller på separat bilaga ) [V] [V] Uin TID [mikrosekund] Uut i ett tidsdiagram: Uut TID [mikrosekund] Uut i tidsdiagram ( redovisas här eller på separat bilaga ) [V] Uut TID [mikrosekund] Uut i tidsdiagram ( redovisas här eller på separat bilaga ) [V] Uut TID [mikrosekund] Effekt med speeding-kondensator som har värdet... F. Kommentar:

17 Laboration E25 Transistorswitchen Uppgift 2.6 Kommentarer till resultat: 3.3 Fall 1 Frånslagstid: Fall 2 Fall 3 Fall Kommentarer och slutsatser från resultaten: 4.5 a Uut = b Uut = c TILL motsvarar spänningen: FRÅN motsvarar spänningen: d När jag vänder på transistorn händer: Kommentarer till mätresultaten: 4.6 Uppmätt värde på R on :