Ćwiczenie 1. Sondy prądowe

Pomiary i modelowanie w elektronice mocy
Ćwiczenie 1. Sondy prądowe
opracowanie: Łukasz Starzak
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2011
Pomiary
Klucz dolny – odpowiedź skokowa
1. Układ bazowy klucza dolnego.
■ Układ zawiera 2 tranzystory MOSFET montowane w niebieskich listwach zaciskowych, z
których jeden stanowi nastawne źródło prądowe, zaś drugi – element przełączający w
konfiguracji klucza dolnego. Regulując amplitudę prądu bramki iG można zmieniać szybkość
załączania dolnego tranzystora. Wyłączanie odbywa się ze stałą, maksymalną szybkością, na
jaką pozwalają pasożytnicze pojemności tranzystora i rezystancje w obwodzie bramki.
■ Użyć 2 tranzystorów IRF510.
2. Zasilenie układu.
■ Zasilacz ustawić w tryb niezależnej pracy sekcji (Independent).
■ Wszystkie pokrętła zasilacza skręcić do zera.
■ Z jednej sekcji nastawnej zasilacza zasilić obwód sterowania U GG.
■ Z drugiej sekcji nastawnej zasilacza zasilić obwód mocy UDD.
■ Upewnić się, że zasilanie źródła prądowego UGGH jest wyłączone – przełącznik na panelu
układu bazowego w pozycji „O”.
■ Ustawić UGG = 12 V upewniając się, że pobór prądu nie przekracza kilkudziesięciu mA.
3. Uruchomić układ sterowania.
■ Sondę napięciową przyłączyć do napięcia uGS tranzystora dolnego (masę przyłączyć poprzez
bananek pomiarowy do gniazda na panelu; końcówkę gorącą bezpośrednio do nóżki
tranzystora).
■ Wzmocnienie powyższego kanału dostosowane do amplitudy impulsów U GG jw.
■ Wyzwalanie oscyloskopu kanałem, do którego przyłączona jest powyższa sonda napięciowa,
poziomem stałym ustawionym na ok. połowę amplitudy impulsów.
■ Potencjometrem nastawić maksymalny czas trwania impulsu t p.
■ Potencjometrem nastawić amplitudę prądu bramki I Gm na połowę zakresu regulacji tego
potencjometru.
■ Wygenerować impuls sterujący – wcisnąć czerwony przycisk. Jeżeli na ekranie pojawi się
przebieg napięcia uGS – dostosować podstawę czasu tak aby widoczny był pełen impuls,
jednocześnie tp ustawić na ok. 50 µs.
■ W przeciwnym razie zweryfikować nastawy kanału oscyloskopu i nastawy wyzwalania.
Jeżeli to nie pomoże, zwrócić się o pomoc do prowadzącego.
4. Skonfigurować sondę prądową Tektronix A6302 zgodnie z osobną instrukcją dostępną na
stanowisku; wzmacniacz sondy podłączyć do kanału 4 oscyloskopu, również odpowiednio go
konfigurując zgodnie z ww. instrukcją; współczynnik przetwarzania ustawić tak, aby umożliwił
pomiar prądu o amplitudzie 10 A. Zwrócić uwagę na kalibrację sondy po, a nie przed nastawieniem
współczynnika przetwarzania. Ustawić sprzężenie ze składową stałą (DC).
5. Sondę A6302 zapiąć na wyprowadzonym nad panel układu bazowego fragmencie przewodu
wiodącego prąd drenu, w kierunku zgodnym z rzeczywistym zwrotem tego prądu.
PMEM 2011
1
6. Zasilić i uruchomić obwód mocy.
■ Potencjometrem ustawić minimalny prąd drenu ID.
■ Włączyć zasilanie UGGH przełącznikiem na panelu układu bazowego
■ Na zasilaczu ustawić UDD = 10 V upewniając się, że pobór prądu nie przekracza
kilkudziesięciu mA.
■ Generując impulsy sterujące z częstotliwością nie większą niż co 5 s, oraz zmieniając
nastawę potencjometru, uzyskać amplitudę prądu drenu 10 A. Amplitudę tę należy ustalić na
podstawie obserwacji przebiegu na oscyloskopie.
■ W razie potrzeby dostosować wzmocnienie w torze przetwarzania prądu w sposób opisany
w instrukcji do sondy prądowej, nie w inny sposób.
■ Przebieg prądu powinien wypełniać ekran w pionie w maksymalnym stopniu od swojego
poziomu zera, wskazywanego przez strzałkę na lewej krawędzi podziałki, do swojej wartości
maksymalnej, natomiast nie może wykraczać poza ekran.
■ W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w
sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu.
7. Przebieg uGS na oscyloskopie ukryć.
8. Uzyskać maksymalną stromość narastania prądu.
■ Powiększyć zbocze narastające prądu.
■ Amplitudę IGm zwiększyć do takiego momentu, w którym stromość zbocza przestanie się już
zwiększać.
■ W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w
sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu.
9. Przywrócić postawę czasu umożliwiającą obserwację całego impulsu prądu.
10. Sondę prądową Hameg HZ56 przyłączyć do wolnego kanału oscyloskopu. Włączyć przełącznikiem
na korpusie i skonfigurować zgodnie z osobną instrukcją.
11. Wyłączyć sondę HZ56, aby nie rozładowywać baterii.
12. Zarejestrować przebieg całego impulsu prądu drenu.
■ W programie WaveStar for Oscilloscopes utworzyć nowy arkusz YT Sheet.
■ Wygenerować impuls sterujący.
■ Z lewego panelu bocznego przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302.
■ Ostrożnie odłączyć sondę A6302. Zapiąć sondę HZ56 i włączyć ją.
■ Przez cały czas wykonywania ćwiczenia sondę HZ56 należy trzymać w pozycji prostopadłej
do panelu układu. Inne postępowanie nie tylko może doprowadzić do wyrwania przewodu
pomiarowego, ale również wpłynie na wyniki.
■ Generując impulsy sterujące, nie zmieniając żadnych ustawień podstawy czasu oscyloskopu
(w szczególności: podstawy czasu, położenia chwili wyzwalania, przebiegu wyzwalającego,
poziomu wyzwalania, sprzężenia wyzwalania), dostosować wzmocnienie i położenie
przebiegu w pionie tak, aby były identyczne z ustawionymi dla kanału sondy A6302 (chodzi
o wzmocnienie całkowite w torze przetwarzania prądu, tj. liczbę amperów na działkę, nie o
wzmocnienie kanału oscyloskopu, tj. liczbę woltów na działkę).
■ Gdyby jednak okazało się, że poprzednie nastawy podstawy czasu były błędne – należy
powtórzyć pomiar poprzednią sondą dla nastaw prawidłowych.
■ Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56. Oba przebiegi
powinny się pokryć (pomijając ewentualny błąd pomiarowy sondy HZ56).
■ Zapisać arkusz YT Sheet (Save Datasheet As, nie Save Worksheet).
■ Zapisać współczynnik przetwarzania sondy HZ56 oraz bieżące wzmocnienie wzmacniacza
sondy A6302.
PMEM 2011
2
13. Zarejestrować przebiegi dla zbocza opadającego.
■ Utworzyć nowy arkusz YT Sheet.
■ Przełączyć się na wyzwalanie zboczem opadającym.
■ Generując impulsy sterujące, powiększyć zbocze opadające do ustalenia się sygnału z sondy
HZ56 na poziomie zera (zaniedbać ewentualne oscylacje wokół tego poziomu, kiedy już
zostanie osiągnięty).
■ W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w
sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu.
■ Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56.
■ Ostrożnie zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56. Nie zmieniać żadnych ustawień
oscyloskopu.
■ Wygenerować impuls sterujący.
■ Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302.
■ Zapisać arkusz YT Sheet.
14. Zarejestrować przebiegi dla zbocza narastającego.
■ Utworzyć nowy arkusz YT Sheet.
■ Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją.
■ Przełączyć się na wyzwalanie zboczem narastającym.
■ Generując impulsy sterujące, powiększyć zbocze narastające do ustalenia się sygnału z
sondy HZ56 na wartości grzbietu impulsu (zaniedbać ewentualne oscylacje wokół tego
poziomu, kiedy już zostanie osiągnięty).
■ W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie odbywało się w
sposób powtarzalny zawsze w tym samym momencie względem impulsu.
■ Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56.
■ Ostrożnie zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56. Nie zmieniać żadnych ustawień
oscyloskopu.
■ Wygenerować impuls sterujący.
■ Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302.
■ Zapisać arkusz YT Sheet.
15. Zarejestrować przebiegi dla zbocza narastającego dla mniejszej stromości prądu.
■ Utworzyć nowy arkusz YT Sheet.
■ Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją.
■ Pokrętłem zmniejszyć amplitudę IGm do wartości, przy której stromość przebiegu z sondy
HZ56 zacznie się widocznie zmniejszać (tj. będzie już obserwowalnie mniejsza niż w
poprzednich pomiarach, np. 2-krotnie).
■ Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56.
■ Ostrożnie zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56. Nie zmieniać żadnych ustawień
oscyloskopu.
■ Wygenerować impuls sterujący.
■ Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302.
■ Zapisać arkusz YT Sheet.
16. Wyłączyć układ.
■ Odłączyć sondę prądową.
■ Napięcie UDD sprowadzić do zera.
■ Wyłączyć zasilanie źródła prądowego UGGH przełącznikiem na panelu układu bazowego.
■ Napięcie UGG sprowadzić do zera.
PMEM 2011
3
■ Odłączyć przewody zasilające.
■ Tranzystory pozostawić w listwach zaciskowych.
17. Upewnić się, że sonda HZ56 jest wyłączona.
Rys. 1. Schemat układu bazowego klucza dolnego
Przetwornica – przebieg impulsowy
18. Połączyć układ bazowy przetwornicy obniżającej napięcie.
■ Z jednej sekcji nastawnej zasilacza doprowadzić napięcie do obwodu sterowania (U GG).
■ Z drugiej sekcji nastawnej zasilacza doprowadzić napięcie wejściowe (U i).
■ Do wyjścia (Uo) przyłączyć odbiornik rezystancyjny RL 4,7 Ω – zestaw oporników na dużym
radiatorze.
■ Równolegle do odbiornika, w poprzecznych gniazdach jego wtyków, umieścić dostępny
kondensator C. Zwrócić uwagę na jego odpowiednią polaryzację zgodnie z działaniem
układu i oznaczeniem na obudowie tego elementu.
■ W niebieską listwę zaciskową na panelu włączyć (przykręcić) dostępny dławik L.
19. Generator funkcyjny.
■ Przebieg prostokątny (tj. o współczynniku wypełnienia 50%).
■ Częstotliwość 20 kHz.
■ Amplituda 10 V, brak składowej stałej (Offset).
■ Podstawowe wyjście generatora (nie TTL czy inne) połączyć z gniazdem BNC na płycie
układu bazowego.
20. Sondy.
■ Sonda napięciowa – napięcie sterujące ug.
■ Sonda prądowa A6302 – prąd tranzystora iT.
21. Uruchomić obwód sterowania.
■ Nastawić UGG = 10 V upewniając się, że pobór prądu nie przekracza kilkudziesięciu mA.
PMEM 2011
4
22.
23.
24.
25.
26.
27.
■ Wyzwalanie oscyloskopu nadal z kanału napięcia, zboczem narastającym.
■ Podstawę czasu dostosować tak, by było widocznych 3…5 okresów przebiegu.
■ Ukryć przebieg ug na oscyloskopie.
■ Włączyć sterowanie bramki przyciskiem na panelu – powinna zaświecić się żółta kontrolka.
Uruchomić obwód mocy.
■ Ograniczenie prądowe sekcji zasilającej Ui nastawić na maksimum.
■ Zwiększyć napięcie Ui do 20 V upewniając się w trakcie, że prąd nie jest większy niż D2∙Ui∙RL
(gdzie D=0,5, RL podane wyżej).
■ W razie potrzeby dostosować poziom wyzwalania tak, by wyzwalanie było powtarzalne i
stabilne.
■ Dostosować wzmocnienie w torze pomiarowym prądu w sposób opisany w osobnej
instrukcji do sondy prądowej. Po ostatecznym ustaleniu optymalnego wzmocnienia
wzmacniacza, chwilowo odłączyć sondę od obwodu i skalibrować ją ponownie. Ponownie
zapiąć sondę.
■ Przebieg prądu powinien wypełniać ekran w pionie w maksymalnym stopniu od swojego
poziomu zera, wskazywanego przez strzałkę na lewej krawędzi podziałki, do swojej wartości
maksymalnej, natomiast nie może wykraczać poza ekran.
Zarejestrować przebieg prądu 2 sondami.
■ Utworzyć nowy arkusz YT Sheet.
■ Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302.
■ Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją. Pamiętać o pozycji prostopadłej do panelu.
■ Dostosować wzmocnienie w torze pomiarowym prądu w sposób opisany w osobnej
instrukcji do sondy prądowej. Przebiegi z obu sond powinny się pokryć (pomijając
ewentualny błąd sondy HZ56).
■ Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56.
■ Zapisać arkusz YT Sheet.
■ Zapisać współczynnik przetwarzania sondy HZ56 oraz bieżące wzmocnienie wzmacniacza
sondy A6302.
Zarejestrować przebieg prądu dla większej częstotliwości przełączania.
■ Na generatorze zmienić częstotliwość prostokąta na 80 kHz.
■ Nie zmieniać żadnych nastaw oscyloskopu, chyba że dostosować poziom wyzwalania gdyby
stało się ono niestabilne.
■ Utworzyć nowy arkusz YT Sheet.
■ Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56.
■ Zmienić sondę na A6302, wyłączyć sondę HZ56.
■ Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302.
■ Zapisać arkusz YT Sheet.
Powrócić do częstotliwości 20 kHz.
Oscyloskop.
■ Przełączyć sondę napięciową na napięcie na diodzie D (źródło tranzystora).
■ Wyzwalanie zboczem opadającym.
■ Powiększyć przebieg tak, by obserwować stan załączania (narastające zbocze prądu).
■ Dostosować poziom wyzwalania tak, aby wyzwalanie było stabilne.
Zarejestrować przebieg prądu podczas załączania tranzystora.
■ Utworzyć nowy arkusz YT Sheet.
■ Przeciągnąć do arkusza YT Sheet przebieg z sondy A6302.
PMEM 2011
5
■ Zmienić sondę na HZ56 i włączyć ją.
■ Przeciągnąć do tego samego arkusza YT Sheet przebieg z sondy HZ56.
■ Sprawdzić, czy orientacja sondy HZ56 (np. nachylenie do powierzchni panelu) ma wpływ na
obserwowany przebieg. Jeżeli tak – pobrać dodatkowo przebieg przy innej orientacji
(dowolnie wybrany wyraźnie odmienny). W arkuszu YT Sheet zmienić kolor tak uzyskanego
przebiegu.
■ Zapisać arkusz YT Sheet.
28. Odłączyć sondę prądową od układu. Wyłączyć sondę HZ56.
29. Wyłączyć układ.
■ Sprowadzić napięcie Ui do zera.
■ Wyłączyć sterowanie przyciskiem na panelu.
■ Sprowadzić do zera napięcie UGG.
■ Rozłączyć układ.
Do opracowania wyników potrzebne będą instrukcje obsługi badanych sond prądowych. Można je
obecnie skopiować Y:\ELEMS\instrukcje_obsługi.
Rys. 2. Schemat układu bazowego przetwornicy impulsowej
Opracowanie wyników
1. W instrukcji obsługi każdej z sond odnaleźć i zamieścić w sprawozdaniu (maksymalne dopuszczalne
wartości natężenia prądu (wystarczy skopiować jako obraz). W oparciu o nie wykazać, że sondy nie
były przeciążone w żadnej części ćwiczenia.
■ Wziąć pod uwagę również czas trwania impulsu lub częstotliwość, jeżeli z instrukcji wynika,
że te parametry wpływają na ograniczenie prądu.
2. Szybkość odpowiedzi sond.
■ Wyniki: klucz dolny, większa (pierwsza) amplitudy IGm, narastanie i opadanie.
■ Za pomocą kursorów Paired w WaveStarze wyznaczyć stromość (w A/µs) narastania i
opadania odpowiedzi sondy HZ56. Wartości te można uznać za maksymalne osiągalne dla
PMEM 2011
6
tej sondy, jeżeli odpowiedź drugiej sondy (A6302) była szybsza. Czy tak było w istocie?
■ Stromość należy mierzyć na odcinku, na którym przebieg jest prostoliniowy.
■ Dla sondy A6302 nie możemy określić maksymalnej osiągalnej stromości. Możemy jednak
określić stromość, jaką na pewno da się jeszcze osiągnąć (nie przesądzając czy jest ona już
maksymalna). Należy to zrobić w oparciu o bardziej stromy z przebiegów – narastania lub
opadania prądu.
■ Porównać właściwości obu sond między sobą.
■ Porównać zaobserwowane właściwości obu sond z danymi w instrukcji obsługi.
■ W instrukcji podana może być stromość bezpośrednio lub czas narastania (jest to wówczas
czas od 10% do 90% wartości maksymalnej dopuszczalnej, co można przeliczyć na stromość).
3. Działanie sond dla powolniejszego narastania.
■ Wyniki: klucza dolny, mniejsza (druga) amplituda I Gm, narastanie.
■ Wyznaczyć stromość narastania dla jednej i drugiej sondy. Czy są one obecnie zbliżone
(wyraźnie bardziej niż poprzednio)?
■ Jeżeli stromości są zbliżone, czy oznacza to, że brak wyraźnych różnic w działaniu obu sond?
Jeżeli nie – na czym polega ta różnica?
4. Wyznaczyć parametry odpowiedzi skokowej sond.
■ Wyniki: klucz dolny, większa (pierwsza) amplitudy IGm, cały impuls.
■ Obliczyć przeregulowanie (dla sond, dla których jest widoczne), tj. różnicę I os między
wartością szczytową pierwszej oscylacji Ipk a poziomem ustalonym Ist, podzieloną przez
różnicę między wartością ustaloną przed i po narastaniu ∆I (w tym przypadku wartość przed
impulsem jest 0, stąd ∆I = Ist).
Ios
Ipk
Ist=∆I
0
■ Prąd grzbietu w układzie nie jest stały, lecz opada – nie jest to wynik błędnego działania
sond. Z tego powodu za wartość ustaloną można uznać np. środek drugiej oscylacji.
■ Obliczeń dokonać dla narastania i dla opadania.
■ Wyznaczyć procentową różnicę w odzwierciedleniu poziomu ustalonego impulsu I st między
jedną a drugą sondą (za wzorzec przyjąć A6302).
5. Działanie sond w rzeczywistym przekształtniku pracującym impulsowo.
■ Wyniki: przetwornica obniżająca, kilka okresów, dwie częstotliwości przełączania, różne
orientacje sondy HZ56.
■ Jakie różnice w przebiegu prądu przetworzonym przez jedną i drugą sondę są widoczne dla
niższej częstotliwości? Za wzorzec przyjąć sondę A6302.
■ Czy różnice są większe czy mniejsze dla wyższej częstotliwości? Które parametry ulegają
szczególnie wyraźnemu pogorszeniu/poprawie? Czy pojawiły się nowe rozbieżności?
■ Czy orientacja sondy HZ56 miała wpływ na uzyskiwany przebieg? Czy tylko sam przebieg
mierzonego prądu (np. stromość) ma wpływ na błędy tej sondy?
6. Prąd załączanego tranzystora w przetwornicy.
■ Wyniki: przetwornica obniżająca, niższa częstotliwość, narastanie.
PMEM 2011
7
■ Jakie różnice w przebiegu prądu przetworzonym przez jedną i drugą sondę są widoczne?
■ Która z sond pozwala z pewnością stwierdzić występowanie przepływu prądu wstecznego
wyłączanej diody przez załączany tranzystor?
■ Podsumowując powyższe, czy obie sondy pozwoliłyby poprawnie ocenić energię wydzielaną
w tranzystorze podczas załączania?
W sprawozdaniu należy zamieścić wszystkie oscylogramy potrzebne do wyznaczenia parametrów i
przeprowadzenia analiz zawartych w sprawozdaniu.
PMEM 2011
8