Institutionen för tillämpad 2013-09-05 fysik och elektronik Umeå universitet Patrik Eriksson Redigerad av Agneta Bränberg Redigerad av Johan Haake Redigerad av Nils Lundgren 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 transistor. 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. Lämplig BJT-transistor att använda kan vara BC547, BC337 eller liknande, till vilken såväl simuleringsmodell som utförliga datablad finns tillgängliga, tex hos Elfa. Som mosfet-transistor används IRFI540N till era uppkopplingar, medan simuleringen sker med IRF540 som är snarlik. Har man inte installerat komponent-bibliotek (tex från Zetex) utöver standardbiblioteket för PSpice i Orcad kan Q2N2222 användas som BJT i simuleringen. För Mosfet-transistorn räcker det att koppla upp och mäta. Ungefärligt värde på några parametrar för 2N2222: h FE (=β DC ) = 50-100, U BE,sat = 0.6V, U CE,sat = 0.3-1V Utrustning och material: Kopplingsplatta Strömförsörjning Funktionsgenerator och Oscilloskop Persondator med simuleringsprogrammet OrCAD Transistor BC547, BC337 eller liknande Transistor IRFI540N eller IRFIZ34N Diverse R och C Redovisning För godkänt ( 1 poäng) krävs tydliga och fullständiga svar på uppgift 1 3. För 2 poäng krävs dessutom fullständigt svar på uppgift 4 och 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 Du skall konstruera en switch med hjälp av en bipolartransistor. Kom ihåg att läsa litteraturen. I C(max) i databladet kräver kylning av transistorn! Välj ett värde på några ma. För vidstående switchkoppling gäller följande: I C (max) = E U R CE C ( sat) För att transistorn skall bottna krävs en basström: I B (min) = I C (max) h FE Detta innebär vidare att: U in > I B (min) RB + U BE ( sat) transistorswitch Arbetsgången bör vara: 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. Bestäm dig för vid vilken spänning Uin du vill att switchen ska slå om. Anta ett värde på R C. Hämta h FE, U CE (sat) och U BE (sat) ur datablad. Vilket värde är lämpligt att sätta som hfe? Motivera detta. Räkna fram ett värde på R B och ta lämpligt värde i närheten av detta. Vad blir då ditt teoretiska värde på U in som krävs för att transistorn skall bottna? 2. Rita in din krets i OrCAD och simulera den. Tips: Svepet bör vara ett transient-svep och insignalen en sinusvåg VSIN. Eller så kan man ta ett DCsvep och ha en likspänning som insignal VDC. Plotta diagram över U in och U ut. Bifoga schema och simuleringsresultat. 3. När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp på kopplingplattan. Använd de komponenter och insignaler som du räknat på och verifiera att din switch fungerar som tänkt. Mät upp det faktiska U in som krävs för att transistorn nätt och jämt skall bottna. Jämför med de teoretiska värde du räknat fram och simulerat. 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.
2. 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 vid vilken vilopunkt transistorn skall arbeta. Därför börjar man med DCfallet. signalförstärkare med bipolär transistor DC A. 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 schemat, så att det blir lätt att följa om du skulle behöva felsöka. Lämpliga tumregler finns beskrivna i Molin. B. Rita in din krets i OrCAD och simulera den. Det räcker med Bias-Point för att verifiera att arbetspunkten blev rätt. C. När simuleringen är klar och verkar stämma är det dags att koppla upp och verifiera att din bias-koppling fungerar som det var tänkt. 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. AC A. Ställ upp de teoretiska beräkningar du behöver för att kontrollera vilken förstärkning din krets kommer att få. Använd ett h-parameterschema eller annat småsignalschema. B. Simulera sedan din krets i OrCAD. Kontrollera förstärkningen samt in- och utimpedansen hos kretsen. Gör även ett frekvenssvep och ta upp ett Bode-diagram. C.Testa din uppkopplade krets och se om allt stämmer. Redovisning: Konstruktionsberäkningar, snyggt uppställda och lätta att följa. Kopplingsschema ritat i OrCAD Simuleringsresultat från OrCAD Resultaten för den verkliga kopplingen.
3. Mosfet-transistorn som switch Mosfettransistorn 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. 12V IN S1 Lampa1 RG T1 xxx 12V/10W IRF540 Switchen består av en N-kanals mosfet-transistor, som arbetar på låga sidan. ( low side switch ). Lasten utgörs av en halogenlampa. 0 3.1. Läs teorin om mosfettransistorn i dokumentet Mosfet basics. Läs också i transistorns datablad. Läs speciellt om Gate charge och RDSon. 3.1a. Beräkna transistorns omslagstider med RG = 50 ohm, och RG = 1000 ohm. Insignal 0 och 10V. 3.1b. Beräkna spänningsfallet och effektförlusten i transistorn när den är påslagen, vid matningsspänningen 12V. 3.2. Koppla upp transistorn och kontrollera hur dina beräkningar stämmer med verkligheten. 3.2a. Kontrollera omslagstiderna genom att skicka fyrkantsvåg som insignal till kretsen, med 0 och 10V som spänningsnivåer. Signalgeneratorn har en inre resistans på 50 ohm, så för den mätningen behövs inget RG. 3.2b. Kontrollera transistorns RDSon, genom att mäta spänningsfallet över transistorn. Koppla gate direkt till 12V för att slå på den.
4. Effektförluster i MOSFET (Extra uppgift för full poäng) Genom att variera fyrkantvågens duty factor, DF (pulskvot) kan lampans ljusstyrka regleras. Effektförlusten i transistorn kan uppskattas som en summa av tre termer: 2 Ledningsförlust, P cond = I D,on R DS,on DF, Switchförlust pga omslagstiden, P sw1 = t sw U DS,off I D,on f sw 2 och switchförlust pga drain-source kapacitans, P sw2 = C oss U DS,off där f sw betecknar switchfrekvens, DF betecknar duty factor och omslagstiden antas vara t sw vid både till och frånslag. f sw 4.a. Välj RG=1000 ohm och en switchfrekvens så att omslagstiden (2t sw ) utgör mindre än 1/10 av periodtiden. Beräkna effektförlusten i transistorn med två olika värden på duty faktor. Välj värden så det blir tydlig skillnad i lampans ljusstyrka. 4.b. Koppla upp och testa de två fallen. Mät signalen mellan transistor och lampa med oscilloscopet och proben inställd på 10x dämpning. Hur stor kapacitans har proben jämfört med transistorns Gate Charge? Uppskatta effektutveckling i transistorn respektive lampan för båda fallen utifrån din mätning.