Instrukcje laboratoryjne z półprzewodnikowych przyrządów mocy

Laboratorium z przedmiotu „Półprzewodnikowe przyrz dy mocy”
dla V semestru studiów in ynierskich Elektronika i Telekomunikacja o specjalno ci
Elektronika Morska
wiczenie 1. Diody LED mocy
Celem niniejszego wiczenia jest zbadanie wpływu warunków chłodzenia diody LED mocy na jej
charakterystyki statyczne.
Zadania do wykonania w laboratorium:
1.
2.
Zmierzy charakterystyki statyczne badanej diody LED mocy spolaryzowanej w kierunku
przewodzenia. Dioda powinna by zasilana ze ródła mierz cego Keithley 2410. Badania nale y
przeprowadzi dla:
Diody umieszczonej na płytce drukowanej (przeł cznik na płycie czołowej ustawiony w
pozycji D2) dla pr dów diody z zakresu od 2 µA do 350 mA,
Diody umieszczonej na radiatorze aluminiowym (przeł cznik na płycie czołowej ustawiony w
pozycji D1) dla pr dów diody z zakresu od 2 µA do 1 A.
Jednocze nie obu rozwa anych diod poł czonych szeregowo (przeł cznik na płycie czołowej
ustawiony w pozycji D1+D2) dla pr dów diody z zakresu od 2 µA do 350 mA.
Regulacja wydajno ci ródła mierz cego Keithley 2410 odbywa si za pomoc przeł czników
umieszczonych na płycie czołowej tego ródła. W czasie regulacji warto ci pr du musi by
odł czone wyj cie ródła mierz cego (wył czona lampka ON/OFF). Przyciskiem Source nale y
wybra I, a nast pnie strzałkami ustawi po dan warto pr du i wcisn przycisk Enter. Po
wł czeniu zaprogramowanego pr du (wł czona lampka ON/OFF) przyciskami V, I w sekcji
Measure nale y wybra pomiar napi cia lub pr du diody.
Oprócz napi i pr dów diody nale y równie rejestrowa warto ci temperatury jej obudowy TC
wyznaczone za pomoc multimetru APPA 207 oraz warto ci nat enia o wietlenia E mierzone za
pomoc luksomierza L-100. Pomiary nale y wykonywa w stanie ustalonym, tzn. wtedy, gdy
warto ci temperatury obudów wskazywane przez multimetry nie zmieni si bardziej ni o 0,5 K
w ci gu 1 minuty.
Zmierzy charakterystyki statyczne badanej diody LED mocy umieszczonej na radiatorze
aluminiowym (przeł cznik na płycie czołowej ustawiony w pozycji D1) spolaryzowanej w
kierunku zaporowym. Dioda powinna by zasilana ze ródła mierz cego Keithley 2410. Badania
nale y przeprowadzi dla pr dów diody z zakresu od 1 µA do 100 mA.
Opracowanie wyników
1. Wykre li na wspólnym wykresie dla obu badanych diod zmierzone charakterystyki pr dowonapi ciowe, zale no ci temperatury obudowy diody od jej napi cia przewodzenia oraz zale no ci
nat enia o wietlenia od napi cia przewodzenia odpowiadaj ce rozwa anym warunkom
mocowania tych elementów.
2. Wykre li charakterystyki diody D1 spolaryzowanej zaporowo. Okre li warto napi cia
przebicia badanej diody.
3. Skomentowa uzyskane wyniki pomiarów.
4. Uwzgl dniaj c, e odległo diody od detektora luksomierza r wynosi 17 cm, wyznaczy
wiatło
diody IV dla wszystkich zmierzonych punktów pracy. W obliczeniach nale y
wykorzysta wzór Lamberta-Beera dla punktowych ródeł wiatła, w których osi optycznej
umieszczony jest detektor promieniowania, o postaci
E=
IV
r2
Wykre li zale no ci IV(i) dla diody zamocowanej na płytce drukowanej oraz na radiatorze.
Dane katalogowe badanego elementu:
Optoplash OF-HPW5-3EL
IFmax
0,8 A
VBR
5V
PTOT(25’C)
3W
wiczenie 2 Przeł czniki elektroniczne
Zadania do wykonania w laboratorium:
1. Zmierzy charakterystyki statyczne przeł czników elektronicznych, o schematach
pokazanych na rys.2.1.
W układzie z rys.2.1 do zacisków B/G, C/D oraz E/S nale y kolejno podł cza
wyprowadzenia nast puj cych elementów:
a. Tranzystor Darlingtona BD649
b. Tranzystor MOSFET IRF530,
c. Tranzystor IGBT IRG4PC50FD.
W celu wykonania pomiaru charakterystyk stycznych rozwa anego przeł cznika nale y:
a) podł czy badany element do odpowiednich zacisków zestawu pomiarowego,
b) ustawi na zewn trznym zasilaczu podł czonym do zacisków ECC napi cie równe
10 V,
c) reguluj c wydajno ci zewn trznego zasilacza EG w zakresie od 0 do 10 V wyznaczy
zale no ci UCE(UB) oraz IC(UB).
A
RG
B/G
EG
V
C/D
EC
V
E/S
RD
Rys. 2.1. Schemat układu do badania wła ciwo ci statycznych przeł czników elektronicznych
2. Zmierzy charakterystyki dynamiczne przeł czników elektronicznych, o schematach
pokazanych na rys.2.2.
OX
RG
e(t)
B/G
C/D
OY
E/S
RC
EC
Rys. 2.2. Schemat układu do badania wła ciwo ci dynamicznych przeł czników elektronicznych
W układzie z rys.2.2 do zacisków B/G, C/D oraz E/S nale y kolejno podł cza
wyprowadzenia wszystkich rozwa anych elementów. Warto ci rezystancji rezystorów w
układzie pomiarowym wynosz RG = 32,6 Ω oraz RC = 11,1 Ω.
W celu wykonania pomiaru charakterystyk dynamicznych rozwa anego przeł cznika nale y:
a) podł czy badany element do odpowiednich zacisków zestawu pomiarowego,
b) odł czy zacisk „+” zasilacza EG od zestawu pomiarowego,
c) ustawi na zewn trznym zasilaczu podł czonym do zacisków ECC napi cie równe
10 V,
d) podł czy wyj cie zewn trznego generatora sygnałowego do zestawu pomiarowego,
e) na zewn trznym generatorze sygnału prostok tnego e(t) ustawi cz stotliwo sygnału
wyj ciowego równ 100 kHz oraz poziomy napi cia wyj ciowego równe odpowiednio
-10 oraz 10 V,
e) naszkicowa przebiegi czasowe napi na zaciskach wej ciowych i wyj ciowych
badanych tranzystorów
Zadania do wykonania w domu:
1. Narysowa zmierzone charakterystyki UCE(UB) oraz IC(UB) badanych elementów.
2. Wyznaczy warto ci czasów wł czania tON i wył czania tOFF badanych elementów.
3. Skomentowa zaobserwowane ró nice w przebiegu charakterystyk statycznych
rozwa anych elementów oraz ró nice w szybko ci przeł czania tych elementów.
Dane katalogowe badanego elementu:
Tran. Darlingtona BD649
IGBT IRG4PC50FD
UCEmax
100 V
600 V
ICmax
8A
70 A
PTOT(25’C)
62,5 W
200 W
MOSFET IRF530
UDSmax
100 V
IDmax
14 A
PTOT(25’C)
79 W
wiczenie 3. Tranzystor IGBT
Zadania do wykonania w laboratorium:
1. W układzie pokazanym na rysunku 3.1 zmierzy nast puj ce charakterystyki statyczne
i(u) tranzystora IGBT w zakresie (uCE 15 V, iC 2 A):
a) charakterystyki przej ciowe iC(uGE) dla dwóch warto ci napi cia kolektor-emiter:
uCE1 = 2 V oraz uCE2 = 6 V,
b) charakterystyki wyj ciowe iC(uCE) dla trzech warto ci napi cia bramka-emiter: uGE1 =
5,5 V; uGE2 = 6 V; uGE3 = 6,5 V, przy dodatnich warto ci napi cia kolektor-emiter,
c) charakterystyki wyj ciowe iC(uCE) dla dwóch warto ci napi cia bramka-emiter uGE1 =
0; uGE2 = 6 V, przy ujemnych warto ciach napi cia kolektor-emiter. W celu
wykonania tego pomiaru nale y zmieni polaryzacj napi cia z zasilacza obwodu
kolektora EC.
Rys.3.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora IGBT
2. W układzie pokazanym na rysunku 3.2 zmierzy parametry dynamiczne tranzystora
IGBT:
a) wyznaczy czas wł czania i wył czania tranzystora przy pobudzeniu e(t) sygnałem
prostok tnym o cz stotliwo ci f = 5 kHz, dla pr dów wł czenia kolejno o
warto ciach: iC = 0,1 A, 0,5 A, 1 A, 2A,
OX
RG
T1
RC
OY
EC
e(t)
Rys.3.2. Układ do pomiaru charakterystyk dynamicznych tranzystora IGBT
b) odrysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napi cia bramka-emiter oraz kolektoremiter przy amplitudzie napi cia bramka – emiter równej uGE1 = 5 V oraz uGE2 = 7,5
V oraz przy napi ciu zasilania równym EC = 20 V.
Zadania do wykonania w domu:
1. Wykre li zmierzone w punkcie 1 charakterystyki statyczne badanego tranzystora.
2. Wyznaczy warto napi cia progowego Up, jako warto napi cia bramka-emiter,
odpowiadaj c pr dowi kolektora równemu 10 µA przy napi ciu UCE = 6 V.
3. Uzasadni przebieg zmierzonej charakterystyki wyj ciowej iC(uCE) badanego tranzystora
dla ujemnych napi kolektor-emiter uCE < 0.
4. Wykre li zmierzon w punkcie 2a zale no czasu wł czania i wył czania tranzystora od
pr du kolektora w stanie wł czenia.
Dane katalogowe badanego elementu:
IGBT IRG4PC40UD
UCEmax
600 V
ICmax
40 A
PTOT(25’C)
160 W
wiczenie 4. Tyrystor
Zadania do wykonania w laboratorium:
1. Zmierzy statyczne charakterystyki wyj ciowe iA(uAK) tyrystora w układzie z rys.4.1. przy
nast puj cych warto ciach pr du bramki: iG1 = 5 mA, iG2 = 10,6 mA, iG3 = 15 mA. Przed
rozpocz ciem pomiarów nale y ustawi pokr tło ograniczenia pr dowego w zasilaczu EA
na minimum i w kolejnych punktach pomiarowych zwi ksza warto dopuszczaln
pr du iA tylko na tyle, by nie paliła si sygnalizacja ograniczania pr du wyj ciowego tego
zasilacza. W czasie pomiaru najpierw nale y zwi ksza warto napi cia uAK a do
uzyskania napi cia uAK = 60 V lub do uzyskania pr du iA = 2.5 A. Nast pnie nale y
zmniejsza warto napi cia uAK do zera. W ten sposób uzyskana zastania charakterystyka
tyrystora w zakresie blokowania i wł czenia.
2. Wyznaczy czasowe przebiegi napi uAK oraz uGK tyrystora przy pracy dynamicznej.
Odrysowa z oscyloskopu czasowe przebiegi napi cia uAK(t) oraz uGK(t) w układzie do
płynnej regulacji mocy, pokazanym na rys. 4.2., odpowiadaj ce dwom warto ciom k ta
komutacji tyrystora, regulowanego pokr tłem na płycie czołowej zestawu pomiarowego,
przy najwi kszym i najmniejszym nat eniu wiatła emitowanego przez arówk .
A
RG
EG
T1
EA
V
V
Rys.4.1. Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tyrystora
D1
P1
Tr
T1
R1
C1
RG
R2
Q2
R4
Q1
~230V
R3
Rys.4.2. Układ płynnej regulacji mocy
Zadania do wykonania w domu:
1. Wykre li zmierzone w punkcie 1 charakterystyki statyczne tyrystora.
2. Wyznaczy warto pr du podtrzymania tyrystora IL na podstawie uzyskanych w punkcie
1 charakterystyk statycznych.
3. Skomentowa zmierzone przebiegi napi uAK(t) oraz uGK(t).
Dane katalogowe badanego elementu:
SCR 10-04-5C
IT
50 A
Literatura pomocnicza
UDRM
100 V
[1] Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa, 1987.
[2] Borkowski A.: Zasilanie urz dze elektronicznych. WKiŁ, Warszawa, 1990.
[3] Napieralski A., Napieralska M.: Polowe półprzewodnikowe przyrz dy du ej mocy. WNT,
Warszawa, 1995.
[4] Stepowicz W.J., Zar bski J.: Laboratorium z elementów elektronicznych. Wydawnictwo
WSM w Gdyni, Gdynia 1989 (wydanie 1), 1994 (wydanie 2).
[5] Marciniak W.: Przyrz dy półprzewodnikowe i układy scalone. WNT, Warszawa, 1984.
[6] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E.: Pomiary przyrz dów półprzewodnikowych.
WKiŁ, Warszawa 1990.
[7] Górecki K.: Układy przetwarzania energii elektrycznej w elektronice. Podr cznik dla
studium podyplomowego Elektroniczne elementy i układy mocy, Wydawnictwo Tekst,
Bydgoszcz, 2009.
[8] Zar bski J.: Półprzewodnikowe elementy mocy. Wydawnictwo Tekst, Bydgoszcz, 2009.