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 ?