Politechnika          Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

 

 
 
 
 
 
 

Instrukcja 

do ćwiczeń laboratoryjnych  z przedmiotu: 

 

ELEKTRONIKA ENS1C300 022 

 

 
 
 
 

 

 

 

 

TRANZYSTORY JAKO ELEMENTY DWUSTANOWE 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                            

 

 
 
 

 
 
 
 

BIAŁYSTOK 2013 

 

 

 
 

WST

Ę

P 

Elementy  wykonawcze układów elektronicznych są zwykle zakończeniem toru 
sygnałowego tych układów.  Elementy te zgodnie z sygnałem elektrycznym 
powodują  zmiany wielości fizycznych ( położenie, prędkość, temperatury, 
ciśnienia jasności itd.). 
 

W niektórych zastosowaniach  wymaga się płynnej zmiany tych 

wielkości. Związane to jest ze zmianą przepływu energii (płynna regulacja mocy 
dostarczanej do obciążenia)  
 

W innych przypadkach wystarczy  włączenie i wyłączenie przepływu 

energii. 
Rozróżniamy dwa rodzaje sterowania: 
 

1.

 

Sterowanie ciągłe, w których sygnał przyjmuje wartości ciągłe w pewnym 
zakresie amplitud (regulacja prędkości obrotowej, temperatury itp.). 

 

2.

 

Sterowanie  dwustanowe  typu  włącz–wyłącz  służące  do  włączania  i 
wyłączania:  przekaźników,  silniczków  prądu  stałego,  elektrozaworów, 
lampek  sygnalizacyjnych  itp.  Przykłady  takiego  sterowania  zostały 
zamieszczone na rysunkach 1 – a,b,c. 

3.

 

Sterowanie  metodą  PWM 

 
Podstawową wadą klasycznego  sterowania mocą dostarczaną do obciążenia 
jest  niska  sprawność  (znaczna  część  mocy  jest  tracona  na  elemencie 
regulacyjnym). 
 

 
 

 

Rb

Uz

Silnik 

wentylatora

M  

Układ

termometra

     

Rb

Uz

Elektrozawór

NAND

TTL

Układ

  sterowania

 

a) 

 

 

 

 

 

b)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Termometr 

kontaktowy

 

Rb

Rc

+ 5V

220 V

Optotriak

“L” / “H”

z komputera

c) 

Rys. 1. Przykłady wyjść dwustanowych układów automatyki. 

 
 

Jak  widać  na  powyższych  przykładach  przy  sterowaniu  dwustanowym  

elementami wykonawczymi są zwykle tranzystory.   
 

Tranzystory  te  w  tych  układach  pełnią  rolę  klucza  (przełącznika) 

zwierającego    lub  rozłączającego  obwód,  w  którym  znajduje  się  element 
wykonawczy. 
Tranzystory  te  powinny  wytrzymywać  maksymalne  prądy  i  napięcia 
odpowiednio dobrane ze względu na rodzaj i wielkość obciążenia. 
 

Dlatego też są to najczęściej tranzystory średniej i dużej mocy. 

 

W  odróżnieniu  od  zastosowania  tranzystorów  we  wzmacniaczach,  gdzie 

punkt  pracy  dobiera  się  w  obszarze  aktywnej  pracy  tranzystora,  przy  pracy 
dwustanowej tranzystor może znajdować się tylko w dwóch stanach: nasycenia i 
zatkania,  przy  możliwie  krótkim  czasie  przełączania  z  jednego  stanu  do 
drugiego. 
 

 

 

 

 

 

A – stan nasycenia 

 

 

 

 

 

 

B – stan zatkania 

 

Rys. 2. Charakterystyka wyjściowa tranzystora bipolarnego 

 z naniesioną prostą obciążenia. 

 

Sterowanie tranzystorem odbywa się w obwodzie bazy również sygnałem 

dwustanowym  małej  mocy  np.  sygnałem  cyfrowym  z  układu  logicznego,  z 
komputera poprzez transoptor, mikrowyłącznikiem lub z komparatora.  
 

W 

celu 

prawidłowego 

wysterowania 

obwodu 

bazy 

(pewnego 

wprowadzenia  tranzystora  w  stan  zatkania  lub  nasycenia  należy  uwzględnić 
własności elektryczne wyjścia elementu wytwarzającego sygnał sterujący. 
 

Dla  przykładu  wyjście  układu  logicznego  może  znajdować  się  w  stanie 

wysokim („H”) lub niskim („L”). 
 

Dla układów serii TTL wartości typowe:  

w stanie „H”  U

WYJ 

≥

 3,5 V przy prądzie wypływającym I

OH  

≤

 4 mA,  

w stanie „L”   U

WYJ 

 

≤

  0,2 V przy prądzie pochłanianym  

≤

  10 mA. 

 

Dla  układów  innych  serii  należy  przeanalizować  charakterystyki 

wyjściowe tych układów.  
 

Dla  mikrowyłączników  należy  przyjąć  prąd  znacznie  mniejszy  od 

dopuszczalnego, co zapewni dużą niezawodność tych elementów. 
 

Przykłady projektowania będą rozważone podczas ćwiczeń.  

 

Sterowanie dwustanowe tranzystorem stosuje się również przy modulacji 

szerokości  impulsów  (PWM),  w  celu  regulacji  średniej  mocy  dostarczanej  do 
obciążenia.  Sterowanie  PWM  polega  na  tym,  że  tranzystor  jest  otwierany 
impulsami o dość dużej częstotliwości o zmiennej regulowanej szerokości.  
 

Regulując stosunek czasu przewodzenia do całego okresu, (współczynnik 

wypełnienia  impulsów),  można  regulować  średnią  moc  od  zera  do  wartości 
maksymalnej. 
 

Do 

wytworzenia 

takich 

sygnałów 

sterujących 

używa 

się 

wyspecjalizowanych układów scalonych (np. TL494).  
 

Niektóre  mikroprocesory  mają  w  swojej  strukturze  programowalne 

wyjście PWM. Zaletą PWM jest wysoka sprawność układu i mała moc tracona 
na tranzystorze przy zachowaniu dużych prądów i napięć.  
 

Uwaga:  Jeżeli  obciążenie  ma  charakter  indukcyjny  (przekaźnik,  silniki, 

elektrozawory)  wymagana  jest  dioda  zwrotna  zapobiegająca  przepięciom  na 
kolektorze tranzystora. 
 

CEL 

Ć

WICZENIA 

 

Celem  ćwiczenia  jest  porównanie  sterowania  ciągłego  mocą  dostarczaną 

do obciążenia ze sterowaniem metodą PWM. 

OBSERWACJE I POMIARY 

Ć

wiczenie będzie wykonywane na przygotowanej makiecie: 

 
Makieta zawiera zaciski śrubowe do podłączenia tranzystora mocy w obudowie 
TO-220 lub podobnej. 
Na makiecie znajduje się również :  
Generator PWM i pokrętła do regulacji częstotliwości i wypełnienia . 

Trzy wzmacniacze (bufory)do sterowania bazą tranzystora mocy. 
Makieta ma autonomiczny zasilacz sieciowy do zasilania generatora i buforów. 
 
Uwaga: Do zasilania obciążenia potrzebny będzie zewnętrzny zasilacz 
wysokoprądowy (min 2A 12-30V regulowany). 
 
Pierwszej części ćwiczenia potrzebny będzie zasilacz regulowany mogący 
pracować jako źródło prądu o regulowanym prądzie min. 1mA.  
 

TRANZYSTORY W UKŁADACH DWUSTANOWYCH

wy

+15V

DRIVER

MC34151

we

wy

+15V

GEN

TL494

f

PWM

5

Ω

25

Ω

100

Ω

+Ucc

we

wy

+15V

-5V

T1

T2

we

wy

+15V

6x1/6
4050

O

B

C

DZ1

DZ2

DZ3

D

10k

1k

B

C

E

G

D

S

R

0,1Ω

T3

F     4A

I

U

 

 
 

PRZEBIEG 

Ć

WICZENIA 

 

A

.    Sterowanie metodą regulacji ciągłej 

Do zacisku +Vcc podłączamy zewnętrzny zasilacz ( z wewnętrznym odczytem 
prądu ) lub włączamy w szereg amperomierz na zakresie 2A. 
 
 

  

Do zacisków śrubowych OBC podłączamy obciążenie: np. żarówkę 
samochodową 12V 10 W, lub silniczek DC 12V. Można również użyć rezystora 
dużej mocy . 

Ze względu na wydzielanie się pewnej mocy na tranzystorze do 

tranzystora zaleca się przykręcenie niewielkiego radiatora. 

Obwód  bazy  będzie  zasilany  z  dodatkowego  zasilacza  małej  mocy  z 

regulacją  prądu.  W  tym  celu  podłączamy  zasilacz  poprzez  dobrany  opornik 
(wkręcony do zacisku śrubowego R do bazy tranzystora). 

 

+Ucc

O

B

C

DZ1

DZ2

DZ3

10k

1k

B

C

E

G

D

S

R

0,1Ω

T3

F     4A

I

U

ZASILACZ

12V

+

-

ZASILACZ

12V

+

-

A

V

 

 
Od  wartości  rezystora  R  i  napięcia  zasilacza  pomocniczego  zależeć  będzie 

prąd bazy i tym samym prąd kolektora. 

Rezystor R dobieramy wg następującej zasady: 
Szacujemy  maksymalny  prąd  obciążenia  (z  mocy  żarówki,  silnika, 

rezystancji opornika, będącego obciążeniem). 

Przyjmujemy 

ββββ

 tranzystora mocy 100-150, obliczamy potrzebny prąd bazy. 

Przyjmując  początkowe  ustawienie  zasilacza  bazowego  na  6V  (tak  aby 

można było regulować w górę i w dół), obliczamy potrzebną wartość rezystora 
R (nie zapomnieć o U

BE

 = 0.7V). 

Podkręcamy rezystor do zacisków śrubowych R. 

 
Poprzez  regulację  napięcia  zasilacza  zmieniamy  prąd  bazy  od  minimalnych 
wartości aż do uzyskania nasycenia w obwodzie kolektora (jak to poznać?). 
Zapisujemy wartości prądu bazy I

B

, kolektora I

C

 i napięcia U

CE

. 

Prąd  bazy  najlepiej  odczytywać  na  wewnętrznym  wskaźniku  poboru  prądu 

zasilacza. 

Na podstawie zapisanych pomiarów należy określić: 
 

•

 

Zależność mocy wydzielonej na tranzystorze od wysterowania (I

B

). 

•

 

Zależność mocy dostarczonej do obciążenia od  wysterowania (I

B

). 

•

 

Zależność sprawności przekazywania energii z zasilacza głównego do 
obciążenia od wysterowania (I

B

). 

(Prąd żarówki odczytać z amperomierza w zasilaczu). 

•

 

Zależność prądu kolektora od prądu bazy.  Na wykresie pokazać miejsce 
wejścia tranzystora w nasycenie. 

•

 

Określić 

β

 tranzystora w obszarze aktywnym(jeżeli 

β

 nie jest stałe to 

dlaczego?) . 

•

 

Określić moc, przy pracy dwustanowej  (P

nas

;  P

zat

). 

Sformułować wnioski. 

B

. Sterowanie metodą PWM 

1.

 

Zamiast zasilacza bazowego do bazy podłączyć układ generatora PWM 
poprzez dowolny bufor i rezystor R 

a)

 

Regulując potencjometrem w zadajniku PWM obserwować zmiany 
w świeceniu lampki. 

b)

 

Zaobserwować i przerysować z oscyloskopu przebiegi napięcia 
sterującego i napięcia na kolektorze. Określić czasy narastania i 
opadania napięcia na kolektorze. 

c)

 

Zamiast lampki podłączyć mały silniczek prądu stałego (nie 
zapomnieć o diodzie zwrotnej) i regulować prędkość obrotową. 

d)

 

Sprawdzić czy tranzystor mocno się nagrzewa i porównać z 
nagrzewaniem się przy pracy ciągłej. 

 
 

 Wymagania BHP 

 

Warunkiem  przystąpienia  do  praktycznej  realizacji  ćwiczenia  jest 

zapoznanie  się  z  instrukcją  BHP,  obowiązującą  w  laboratorium,  oraz 
przestrzeganie zasad w niej zawartych. 
 

Zagadnienia: 

1.

 

Przy jakim wysterowaniu na tranzystorze wydziela się największa 
moc? 

2.

 

Jak poznać że tranzystor jest w nasyceniu? 

3.

 

Dlaczego ze wzrostem częstotliwości PWM tranzystor, będzie coraz 
bardziej się nagrzewać ? 

4.

 

Dlaczego jeśli obciążeniem jest silniczek DC konieczna jest dioda 
zwrotna  

5.

 

Jakie zalety ma sterowanie PWM w stosunku do regulacji ciągłej ?