Institutionen för tillämpad fysik och elektronik 216-5-25 Umeå universitet Patrik Eriksson Redigerad av Johan Haake Redigerad av Nils Lundgren Redigerad av Agneta Bränberg TRANSISTORER
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 transistorer. Övning i att använda ett simuleringsverktyg. Praktisk erfarenhet av att koppla, felsöka och att mäta på kretsar. Varje student ritar själv in sin koppling i OrCAD och simulerar sin krets, kopplar upp sin krets på kopplingsdäcket och skriver sin egen redovisning. Utrustning och material: Kopplingsplatta Strömförsörjning Funktionsgenerator och Oscilloskop Persondator med simuleringsprogrammet OrCAD Transistor BC547 (eller liknande) Transistor IRFI54N (eller liknande) Diverse R och C Redovisning För godkänt (1 poäng) krävs svar på uppgift 1 3 där allt är genomfört och det väsentliga är rätt. För 2 poäng krävs dessutom fullständiga och korrekta svar samt inlämning inom föreskriven tid. Läs igenom uppgifterna noggrant. Se till att ha klart för dig vad som eftersträvas med laborationen.
1. BJT-Transistorn som switch/strömbrytare Du skall konstruera en switch med hjälp av en bipolartransistor. Kom ihåg att läsa litteraturen framförallt Molins avsnitt 1.2 Ta också fram databladet för BC547B från ELFA.se. 1.1 Teoretiska beräkningar 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. Arbetsgången bör vara: Bestämma preliminärt Uin för omslag. Anta ett värde på RC. Hämta h FE, U CE (sat) och U BE (sat) ur datablad för BC547B (mer info nedan). Räkna fram ett värde på RB och ta lämpligt värde i närheten av detta. Räkna fram den omslagnivå man får på Uin (och ev justera något) Här kommer tips och frågor som leder dig framåt i arbetet: a) Tanken är att om du varierar Uin (från V till E) så ska switchen slå om vid ett visst värde på Uin, du kommer att bestämma det värdet med hjälp av resistorerna. Ett bra tips är att lägga sig mitt emellan V och E. Vad väljer du? b) För att du ska förstå vad du gör är det bra om du börjar med att fundera på vad som händer med Uut om Uin =V och om Uin =E? När blir Uut=V (nästan ) och när blir Uut=E? Dvs hur slår den här switchen om? c) Börja med att dimensionera RC så att du får den ström du vill ha genom transistorn när den E U CE ( sat) är bottnad. Det är den ström som heter I C (max) = RC ( OBS det är inte samma sak som vilken max-ström transistorn tål i databladet). Välj ett värde på IC(max) på nån enstaka ma. Leta reda på UCE(sat) i databladet ta det som är angivet för ett IC som är närmast ditt valda IC(max). Räkna fram ditt RC och välj ett som är i närheten av ditt framräknade (alla motståndsvärden
finns ju inte att tillgå rent praktiskt). d) Hämta hfe ur databladet. Vilket värde är lämpligt att sätta som hfe, min eller max? Tips: dimensionera så att den ström IB som precis krävs för att transistorn just precis ska bottna är IB(min). På så sätt är du säker på att alla strömmar över IB(min) också kommer att I C (max) se till att transistorn bottnar. I B (min) = h FE e) Avsluta med att dimensionera RB så att du får en omslagnivå på Uin som ligger nära den du ville ha. U > I (min) R U ( sat) in B B + Välj UBE(sat) från den raden där IC är närmast ditt IC(max). BE Välj ett RB som finns bland dina resistorer. f) Vad blir din omslagnivå på Uin teoretiskt? Om allt är som det ska så ska alla spänningar under den omslagnivån göra så att transistorn är strypt och alla spänningar över den omslagsnivån göra så att transistorn bottnar. Givetvis kommer det att vara en viss övergång mellan dessa tillstånd men det är i alla fall principen. 1.2 Simulering Nu ska du rita in din krets i OrCAD och simulera den. Det finns två sätt att simulera och testa att switchen slår om som den ska. Med en likspänning eller med en växelspänning som insignal. Likspänning a) Välj en VDC som inspänningskälla b) Kör ett DC-svep från V till E c) Plotta diagram över Uin och Uut och markera var omslaget sker. Växelspänning d) Välj en VSIN som inspänningskälla med offset E/2V, amplitud E/2 och frekvens 1Hz e) Kör ett Transient-svep med några perioder f) Plotta diagram över Uin och Uut och markera var omslaget sker Jämför de två fallen och se om du får samma omslagnivå.
1.3 Praktisk uppkoppling När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp på kopplingsplattan och mäta för att se vilken omslagnivå du får. Här är det viktigt att du ser till att vända transistor rätt väg. Kolla noga i databladet så att du vet vilket ben som är C, B och E. På denna bild som är från ett datablad ser man att om man håller i transistorn så att den platta sidan med text är den man tittar på är C längst till vänster, B i mitten och E till höger. Använd de komponenter som du räknat på (och simulerat med). Koppla så likt som ditt kopplingsschema som möjligt. På så sätt blir det lättare att hålla reda på vad som är vad och felsöka om det behövs. Se till att matningsspänningen stämmer med ditt E i dina beräkningar och simuleringar. Det finns två sätt att mäta och testa att switchen slår om som den ska. Med en likspänning eller med en växelspänning som insignal. Likspänning a) Använd likspänningskuben och variera din insignal i steg från V till E mät samtidigt Uut med multimeter. Plotta diagram över Uin och Uut och markera var omslaget sker. Växelspänning b) Använd signalgenerator och generera en insignal i form av en sinussignal med offset ca E72, amplitud E/2 och frekvens 1Hz. Använd oscilloscopet och titta på Uin och Uut på var sin kanal. Jämför med de teoretiska värden du räknat fram och din simulering. Kommentera. Troligtvis kommer du att se att din switch inte riktigt slår om där du tänkt dig och det är ok. Parametervariationen gör så att vi inte kommer att hamna exakt på det teoretiska här. Det man vill är att man ska få en nivå som gör så att man är på den säkra sidan. Exempel: Givet att man vill att omslaget ska ske vid 2V är det helt ok om omslaget sker redan vid 1.6V. Däremot blir man inte så glad om switchen inte slår om förrän vid 2.2V. Redovisa: 1. Konstruktionsberäkningar enligt ovan, snyggt uppställda och lätta att följa 2. Kopplingsschema ritat i OrCAD 3. Simuleringsresultat från OrCAD 4. Diagram och som visar resultatet för den verkliga kopplingen 5. Foton på uppkopplingen 6. Jämförelse mellan teori, simulering och praktisk uppkoppling.
2. Småsignalförstärkare Du skall konstruera en småsignalförstärkare med en vanlig bipolartransistor. Lämplig transistor till denna uppgift är BC547 (eller liknande), till vilken finns såväl kompletta datablad som simulerings-modeller. Läs Molin avsnitt 11.1-11.4 och 11.7 (även andra avsnitt runt dessa kan också vara bra att titta i). Uin C1 R1 R2 Q1 E RC BC547B RE C2 Uut När man konstruerar ett transistorsteg börjar man med att bestämma vilken förstärkning, inresistans och utresistans man vill ha. Därefter dimensionerar man förstärkaren så att man får en lämplig vilopunkt (bias/förspänning/arbetspunkt) för att kunna uppnå detta. Det här gör att man kan vara tvungen att gå lite fram och tillbaka mellan DC och AC innan man uppnått det man ville ha. I det här fallet är det lämpligt att förstärkningen är i storleksordningen 1-1 ggr, inresistansen 1k- 1kΩ och utresistansen 1-1kΩ. Ganska vida gränser alltså och skulle du hamna lite utanför är det inte hela världen. 2.1 DC Teoretiska beräkningar a) Börja med att bestämma vilken vilopunkt kretsen ska ha, gör de teoretiska beräkningarna och rita ett kopplingsschema. Visst kommer du ihåg att kondensatorer är avbrott vid DC, vilket innebär att dom inte finns med i den här delen av dimensioneringen och testningen. Lämpliga tumregler finns beskrivna i Molin 11.7 fig 11.31 är bra! Dessutom kan det vara bra om matningsspänningen E är ca 9V och att ICQ är ca 2mA. b) Anteckna ICQ, UCEQ, IBQ och UBEQ. Tänk på att vara noggrann när du ställer upp dina beräkningar och ritar schemat, så att det blir lätt att följa om du skulle behöva felsöka. R1 R2 Q1 RC BC547B RE 9V E Simulering c) Rita in din krets i OrCAD och simulera den. Det räcker med Bias-Point för att verifiera att arbetspunkten blev rätt. Du behöver alltså inte någon insignal. Jämför med dina teoretiska värden på ICQ, UCEQ, IBQ och UBEQ.
Praktisk uppkoppling d) När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp och verifiera att din vilopunktskoppling fungerar som det var tänkt. Tänk på att vända transistorn rätt väg. ICQ mäts med amperemeter (det är samma ström som går genom RC och ner genom transistorn). UCEQ mäts med voltmeter mellan Collector och Emitter. IBQ mäts med amperemeter (det är samma ström som går in på basen B). UBEQ mäts med voltmeter mellan Bas och Emitter. Jämför med dina teoretiska värden på ICQ, UCEQ, IBQ och UBEQ. 2.2 AC När vilopunkten är som den skall går du över till att se på transistorsteget utifrån ett småsignalperspektiv AC. Här är det Molin 11.3, 11.4 (fig 11.19, 11.23 11.25) som är intressanta. Visst kommer du ihåg att kondensatorer vid höga frekvenser kan ses som kortslutningar? Lämpliga värden på kondensatorerna C1 och C2 kan vara i E storleksordningen 1uF. R1 RC C2 C1 Q1 Teoretiska beräkningar a) Ställ upp de teoretiska beräkningar du behöver för att kontrollera vilken förstärkning, in- och utresistans din krets kommer att få. Använd ett småsignalschema av samma typ som i fig 11.24 i Molin. Parametrarna för transistorn hittar du i databladet. Där är de angivna som h-parametrar och omvandlingsuttryck för dessa hittar du i avsnitt 11.3. Vilken förstärkning får du? Vilken inresistans får du? Vilken utresistans får du? Uin R2 BC547B RE Uut Simulering Simulera sedan din krets i OrCAD. Det du ska kontrollera är förstärkningen. Både som funktion av frekvensen och vid en utvald frekvens. b) Börja med att kontrollera förstärkningen som funktion av frekvensen. Använd en VAC som insignal Uin (1V) och gör ett frekvenssvep (1Hz-1kHz) för att ta fram ett Bode-diagram för din förstärkare (är du osäker på hur det görs finns det instruktionsfilm om det). Nu ser du hur förstärkningen varierar med frekvensen. I passbandet borde du nu ha fått en förstärkning som är i närheten av din teoretiska förstärkning. Vad fick du? c) Fortsätt med att testa förstärkningen vid en viss frekvens. För att göra det ska du skicka in en sinussignal med lagom liten amplitud och vettig frekvens i din förstärkare och kontrollera
vilken utsignal du får. För Uin byter du då till en VSIN med en offset på V, en amplitud som är liten (tänk att du kan få ut mindre än E/2 som maxamplitud, dividera ditt tänkta utmax med din teoretiska förstärkning då vet du att amplituden på insignalen måste vara lite mindre än detta värde) och en frekvens som ligger i passbandet i ditt Bode-diagram. Gör ett tidssvep (Time Domain (transient)) och ställ tiden så att du får med några perioder. Plotta Uin och Uut. Vilken förstärkning får du? Praktisk uppkoppling d) Fyll på din uppkopplade krets med kondensatorer och koppla in en lämplig insignal. Sinus med lagom liten amplitud precis som när du simulerade. e) Mät både insignalen och utsignalen med oscilloskop. Vilken förstärkning får du? Redovisning: Konstruktionsberäkningar enligt ovan, snyggt uppställda och lätta att följa Kopplingsschema ritat i OrCAD Simuleringsresultat från OrCAD Resultaten för den verkliga kopplingen Foton på uppkopplingen Jämförelse mellan teori, simulering och praktisk uppkoppling. 3. MOSFET-transistorn 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. 12V IN S1 Lampa1 RG T1 xxx 12V/1W IRF54 N Switchen består av en N-kanals mosfet-transistor, som arbetar på låga sidan ( low side switch ). Lasten utgörs av en halogenlampa. Du ska konstruera en enkel högeffektsswitch, och undersöka två viktiga parametrar hos switchen; RDSon och Gate-charge, vilka påverkar effektförlusten i transistorn och hur snabbt switchen slår om. Börja gärna med att titta på filmen om en enkel MOSFET strömbrytare switch och läs dokumentet MOSFET som switch. Skumma sedanteorin om MOSFET-transistorn i dokumentet MOSFET Basics för att se att du hittar det som är viktigt just för denna lab (du behöver inte förstå
allt som står där). Det du ska fokusera på är RDSon, Gate charge samt hur man mäter t(on) (t3 inte td(on)). Vad betyder begreppen? Vilken inverkan har de på effektförlusten och hur snabbt switchen slår om? Hur ser uttrycken ut där de finns med? Läs också i transistorns datablad. IRF54N och IRFI54N ligger väldigt nära varandra och ibland skickar vi ut olika så kolla vilken du fått. Teoretiska beräkningar a) Börja med att beräkna spänningsfallet över transistorn (UDS) när den är påslagen och matningsspänningen är 12V. Tänk på att lampan i det fallet motsvarar ett motstånd, vilket? b) Fortsätt med att räkna ut vilken effektförlust du då får i transistorn. c) Beräkna sedan transistorns omslagstid om insignalen går från V till 1V (dv=1v) för de två fallen när RG = 5 ohm, och RG = 1 ohm. Använd Gate Charge i beräkningarna. Simulering I simuleringen ska du använda transistorn IRF54N eller IRFI54N som finns i IRF-biblioteket. Du behöver alltså koppla till det biblioteket (instruktioner och biblioteksfiler finns på Moodle). Vi har inte någon halogenlampa att simulera med så istället kör vi med ett motstånd i simuleringen 1 Vin R2 5 G LAMPA1 14.4Ohm12V/1W D S M2 IRFI54N 12V V1 d) Börja med att använda en VDC som insignal och låt den vara 1V så att du är helt säker på att din switch slagit på). Då kan du göra en Bias Point simulering och mäta i schemat (klicka på I och U-knapparna)vad du har för ström ID och spänning UDS. På så sätt kan du ta fram vilket RDSon du har. Jämför med databladet. e) Eftersom att du vet ID och RDS(on) kan du nu räkna ut effektförlusten. Du kan även mäta den direkt i schemat genom att klicka på W. Jämför med det teoretiskt beräknade. f) Kolla Vth i databladet och testa när din switch verkligen slår om. g) Vad får du för effektförlust i transistorn precis när switchen slår om? 12V V1 h) För att mäta omslagtiden ton (motsvarar t3 i fig 13 i MOSFET basics) är det lämplig att använda VPULSE som inspänningskälla, se fig för lämpliga värden, och göra ett tidssvep (Time Domain (transient)). Se till att du får med lagom mycket av förloppet så att du kan mäta omslagstiden. Vad får du för ton? Jämför med ditt teoretiskt framtagna värde. V1 = V V2 = 1V TD = TR = TF = PW = 2u PER = 1u V2 R2 5 G V LAMPA1 14.4Ohm12V/1W D V M2 IRFI54N
Praktisk uppkoppling Koppla upp transistornswitchen och kontrollera hur dina beräkningar stämmer med verkligheten. Tänk på att kolla noga vilka ben som är vilka. Nu ska du använda halogenlampan. i) Kontrollera transistorns RDSon, genom att koppla gate direkt till 12V för att slå på switchen och mäta spänningsfallet UDS över transistorn och strömmen ID in på Drain. j) Kontrollera omslagstiderna genom att skicka fyrkantsvåg som insignal till kretsen, med och 1V som spänningsnivåer. Signalgeneratorn har en inre resistans på 5 ohm, så för den mätningen behövs inget RG. Redovisning: Konstruktionsberäkningar enligt ovan, snyggt uppställda och lätta att följa Kopplingsschema ritat i OrCAD Simuleringsresultat från OrCAD Resultaten för den verkliga kopplingen Foton på uppkopplingen Jämförelse mellan teori, simulering och praktisk uppkoppling.