Zakład Energoelektroniki, Robotyki i Automatyzacji
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Ćwiczenie nr 4 :
TRANZYSTORY MOCY (TM)
(Badanie tranzystorów mocy)
Częstochowa 2005
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
1. WPROWADZENIE
1A. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania, budowy oraz właściwości
tranzystorów: bipolarnego BJT i tranzystora unipolarnego MOSFET, stosowanych
w urządzeniach energoelektronicznych.
1B. Tranzystor bipolarny Darlington
Bipolarny tranzystor mocy jest nadal powszechnie stosowany
w popularnych układach energoelektronicznych średniej mocy. Tranzystor mocy
BJT (ang. Bipolar Junction Transistor) posiada zasadniczą wadę, to jest niskie
wzmocnienie prądowe, co oznacza, \
e do sterowania du\
ych prądów w obwodzie
wyjściowym konieczne są du\
e prądy bazy. Jest to niekorzystne, zwłaszcza, \
e
dostępne są tranzystory mocy o sterowaniu polowym. Z tego powodu w zakresie
prądów od 1A i większych popularne są monolityczne układy scalone oparte na
połączeniu dwóch tranzystorów w układzie Darlingtona, zwane tranzystorami
Darlingtona (ang. Darlingtons). Układy te są produkowane w identycznych
obudowach, jak pojedyncze tranzystory mocy, i w katalogach tradycyjnie
klasyfikowane jako przyrządy dyskretne, a nie scalone. Tranzystory Darlington
charakteryzują się du\
ym wzmocnieniem prądowym. Zasadniczą wadą  darlingtona
jest wzrost napięcia nasycenia w porównaniu z pojedynczym tranzystorem BJT, a więc
zwiększenie strat mocy w czasie przewodzenia.
1C. Unipolarny tranzystor mocy MOSFET
W tranzystorze unipolarnym, w odró\
nieniu od przyrządów bipolarnych prąd
przepływa przez strukturę tylko przy udziale jednego typu nośników energii: elektronów
lub dziur. Wią\
e się to z odmiennym sposobem sterowania, w którym dzięki polu
elektrycznemu wytwarzanemu na powierzchni struktury złączowej następuje zmiana jej
właściwości i utworzenie kanału przewodzącego prąd. Unipolarny tranzystor mocy
MOSFET to przyrząd półprzewodnikowy o sterowaniu napięciowym, w którym prąd
drenu reguluje się za pomocą sygnału napięciowego bramki, o wartości rzędu kilku
woltów. Moc niezbędna do sterowania jest znikomo mała. Tranzystory unipolarne
charakteryzują się du\
ą impedancją wejściową, a więc i du\
ym wzmocnieniem mocy.
Przyrządy działające na zasadzie zjawiska polowego charakteryzują się krótkimi
czasami przełączeń, mogą pracować więc przy wysokich częstotliwościach.
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.2/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
2. POMIARY:
2A) TRANZYSTOR BIPOLARNY DARLINGTON
A1 PROGRAM ĆWICZENIA
1. Wyznaczyć charakterystykę wejściową badanego tranzystora:
UBE = f(IB) dla UCE = 0 zmieniając prąd bazy co 0,5mA
w zakresie IB = 0  7,5mA wg schematu z rys.1
C
BDX 87C
I = 0 - 7,5 mA
B
1k
B
mA
+
E
0-20V
V
-
Rys.1 Wyznaczanie charakterystyki wejściowej tranzystora Darlington.
2. Wyznaczyć charakterystyki przejściowe tranzystora:
IC = f(IB) oraz IC = f(UBE) wg schematu z rys.2 dla UCE =2V i UCE =3V
(zakresy: IB = 0 - 1,5mA co 0,1mA, IC = 0 - 10A)
0-10A
A
BDX 87C
C
I = 0 - 1,5 mA
B
1k
B
mA
+ +
0-20V
E
2V i 3V
V
3V
max
- -
Rys.2 Wyznaczanie charakterystyki przejściowej tranzystora bipolarnego
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.3/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
3. Wyznaczyć napięcie nasycenia tranzystora:
UCESAT = f(lC) dla IB = 5mA = const. wg schematu z rys.3,
zmieniając napięcie zasilania co 1V w zakresie Uzasil = 0 - 30V
(prąd kolektora w zakresie: lC = 0 - 10A )
4R5 (4,5 )
A
BDX 87C
0 - 10A
C
1k
I = 5 mA
B
B
mA
+
0-20V +
0 - 30Vmax
V
E
V -
-
Rys.3 Wyznaczanie napięcia nasycenia tranzystora bipolarnego
UWAGA !
! - Podczas pomiarów zwrócić uwagę na właściwą polaryzację
napięć zasilania tranzystora.
!! - Podczas pomiaru wg pktu 2 nie przekraczać napięcia zasilania
kolektora UCE = 3V.
A2 OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (DARLINGTON):
1. Wykreślić mierzone charakterystyki wg pktów 1.2.3. i porównać
z danymi katalogowymi.
2. Obliczyć wzmocnienie prądowe hFE, wykreślić charakterystykę:
hFE = f(lc) i porównać z danymi katalogowymi.
3. Porównać napięcie nasycenia UCESAT z danymi katalogowymi.
4. Narysować wykres strat mocy Pc = f(lc) dla stanu nasycenia.
5. Porównać własności tranzystora Darlington z tranzystorem MOSFET.
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.4/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
2B) TRANZYSTOR MOSFET
B1 PROGRAM ĆWICZENIA
1. Wyznaczyć charakterystykę przejściową tranzystora:
ID = f(UGS) wg schematu z rys.4 dla UDS =1V i UDS =2V
zmieniając napięcie bramki w zakresie UGS = 0  20V co 0,5V,
(zakres ID = 0 - 10A)
0-10A
A
IRF 540
1k
+ +
0-20V V
3Vmax
- -
Rys.4 Wyznaczanie charakterystyki przejściowej tranzystora MOSFET
2. Wyznaczyć charakterystykę wyjściową tranzystora:
UDS = f(lD) dla UGS = 5,5V = const. wg schematu z rys.5,
zmieniając napięcie zasilania co 1V w zakresie Uzasil = 0 - 30V,
(prąd drenu w zakresie: lD = 0 - 10A)
Rys.5 Wyznaczanie charakterystyki wyjściowej tranzystora MOSFET
UWAGA !
! - Podczas pomiarów zwrócić uwagę na właściwą polaryzację
napięć zasilania tranzystora.
!! - Podczas pomiaru wg pktu 2 nie przekraczać napięcia zasilania
drenu UDS = 2V.
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.5/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
B2 OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (MOSFET):
1. Wykreślić mierzone charakterystyki wg punktów B1.1 i B1.2
oraz porównać z danymi katalogowymi.
2. Obliczyć wzmocnienie tranzystora gFE , wykreślić charakterystykę
gFE = f(UGS) i porównać z danymi katalogowymi.
3. Obliczyć rezystancję RDS(ON) i porównać z danymi katalogowymi.
4. Narysować wykres strat mocy PD = f(lD) dla stanu otwarcia.
5. Porównać własności tranzystora MOSFET z tranzystorem Darlington.
Literatura
1. Paweł Fabijański, Andrzej Pytlak, Henryk Świątek  Pracownia układów
energoelektronicznych W.Sz. i P. S.A. Warszawa 2000 r.
2. Mieczysław Nowak, Roman Barlik  Poradnik in\
yniera energoelektronika
WNT Warszawa 1998 r.
3. Stefan Januszewski, Henryk Świątek  Nowoczesne przyrządy
półprzewodnikowe w energoelektronice WNT Warszawa 1994 r.
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.6/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Dodatek 1: Karta katalogowa tranzystora BDX67C
Tranzystor BDX67C
Tranzystor mocy npn typu Darligton
w obudowie TO-3
This datasheet has been download from:
www.datasheetcatalog.com
Datasheets for electronics components.
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.7/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.8/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.9/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Dodatek 2: Karta katalogowa tranzystora IRF540
Tranzystor IRF540
Tranzystor mocy MOSFET z kanałem typu n
w obudowie TO-220
STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES
http://www.st.com
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.10/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.11/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.12/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.13/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.14/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.15/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.16/17
opr. Marian Kępiński
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005 Tranzystory mocy TM str.17/17
opr. Marian Kępiński