KATEDRA ELEKTRONIKI
LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTRONIKI
Zespół: RADZIK Jarosław WĘGRZYNIAK Paweł
Grupa: 5 Zespół: 3 Rok: 2

1. Cel ćwiczenia

Tranzystor może zostać wykorzystany jako półprzewodnikowy element przełączający. Celem niniejszego ćwiczenia było zapoznanie się z podstawowymi układami przełączającymi oraz z ich parametrami. Badaniom poddano tranzystor npn (BD135) oraz NMOS (IRF540). Zwrócono uwagę na charakterystyki wyjściowe oraz przejściowe tychże tranzystorów. Pomiary obejmowały parametry katalogowe kluczy tranzystorowych takich jak: czas opóźnienia, narastania, magazynowania i opadania. Dokonano analizy wpływu elementów na szybkość działania kluczy.

2. Wstęp teoretyczny

Tranzystory bipolarne uważa się za elementy liniowe, które składają się z trzech warstw półprzewodnikowych o różnym typie przewodnictwa. W zależności od punktu pracy, tranzystor może znajdować się w czterech stanach pracy:
- stan aktywny
- stan nasycenia
- stan zatkania (nieprzewodzenia)
- stan inwersyjny
Stan pracy tranzystora bipolarnego wyznaczany jest z charakterystyki wyjściowej.

Schemat klucza tranzystora bipolarnego npn

Czasy przełączania klucza na bazie tranzystora bipolarnego npn

td – czas opóźnienia przy włączaniu tranzystora (delay time) – czas pomiędzy początkiem

impulsu wejściowego a chwilą gdy prąd kolektora jest równy 10% swojej wartości max,

tr – czas narastania (rise time ) prądu kolektora od poziomu 10% do poziomu 90% wartości max

ts – czas magazynowania (storage time) – czas między wyłączeniem dodatniej połówki impulsu

wejściowego a chwilą gdy prąd kolektora osiąga 90% swojej wartości max,

tf – czas opadania (fall time) prądu kolektora od poziomu 90% do poziomu 10% wartości max,

tON – czas włączania – tON=td+tr, tOFF – czas wyłączania – tOFF=ts+tf

Tranzystory polowe są grupą elementów półprzewodnikowych, w których wykorzystuje się do sterowania strumieniem nośników pole elektryczne wytwarzane przez napięcie przykładane do elektrody sterującej. Tranzystory MOS z izolowaną bramką są jednym z rodzajów tych tranzystorów, najczęściej wykorzystywane są w układach mikroelektroniki (pamięci półprzewodnikowe, układy mikroprocesorowe).

Schemat klucza na tranzystorze MOSFET:

Układy przełącznikowe z tranzystorami MOS (z kanałem wzbogaconym) są podstawowymi układami stosowanymi m.in. w scalonych układach cyfrowych, w analogowych układach z przełączanymi pojemnościami lub w układach z przełączaniem prądów. Szeroki zakres stosowania wynika z faktu, że MOS wyróżniają się prostotą technologiczną i układową, małą powierzchnią i bardzo małym poborem mocy. Pojemność Co w praktyce stanowią pojemności wejściowe tranzystora.

Czasy przełączania klucza na bazie tranzystora unipolarnego MOSFET

td(on) – czas opóźnienia przy załączaniu - - czas, między włączeniem dodatniej połówki napięcia sterującego a momentem, w którym napięcie uDS maleje od 100% swojej wartości ustalonej w czasie wyłączenia tranzystora uDS(off) do 90% tej wartości,

tr – czas narastania (rise time) - czas, w którym napięcie uDS opada od 90% do 10% swojej wartości ustalonej w czasie wyłączenia uDS (off),
td(off) – czas opóźnienia przy wyłączaniu - czas, między wyłączeniem dodatniej połówki napięcia sterującego a momentem, w którym napięcie uDS narasta od 0% do 10% swojej wartości ustalonej w czasie wyłączenia uDS(off),

tf – czas opadania (fall time) - czas, w którym napięcie uDS narasta od 10% do 90% swojej wartości ustalonej w czasie wyłączenia uDS (off),

Do zalet tych tranzystorów należą szczególnie ich czasy przełączania czyli czasy narastania i opadania zbocza (Fall and Rise Time) które są bardzo małe w stosunku do tranzystorów bipolarnych. Również czasy martwe (Turn-on Delay Time) są nieporównywalnie małe w stosunku do bipolarnych (są to rzędy nano sekund). Dodatkowo w MOS-fetach nie występuje czas magazynowania. Czyni to z nich idealne narzędzie do stosowania jako klucze. Wykorzystuje się je powszechnie w przetwornicach impulsowych gdzie jest wymagane przełączanie przy wysokich częstotliwościach. Te tranzystory mają dodatkowo małe straty (parametr R_dsON­ jest mały) zatem można przepuszczać przez nie duże prądy.

3. Część symulacyjna

W programie Multisim narysowaliśmy układ klucza z tranzystorem unipolarnym NMOS. Na wejście układu podawany jest sygnał prostokątny o zadanej częstotliwości i różnych poziomach EF i ER.

Schemat symulacji:

Dołączyliśmy oscyloskop tak, aby obserwować przebieg sygnału na wejściu układu oraz na wyjściu układu czyli kolektorze tranzystora Q1. Oszacowaliśmy jaki czas obserwacji potrzebny jest w analizie Transient, aby móc zobaczyć moment włączania i wyłączania tranzystora. Za pomocą analizy Transient zmierzyliśmy charakterystyczne czasy dla przełączania tranzystora bipolarnego (za pomocą kursorów). Generator ustawiliśmy następująco: prostokąt, 500 kHz, duty cycle 50%, amplitudę 2.5Vpp, offset 2.5Vpp (EF=5V, ER=0V)

Po kilku próbach okazało się że optymalnym czasem dla analizy Transient był czas 10^-5 s

Czasy wzrastania i spadku mierzyliśmy w następujący sposób: Na zboczu narastającym szukane były 2 napięcia – napięcie maksymalne i minimalne jakie pojawiło się na drenie MOSFET-a. Następnie obliczaliśmy 10% U_min oraz 90% U_max. Dla obliczonych napięć odczytaliśmy czas wzrastania. Dla czasu opadania postępujemy analogicznie.

Wykres poniżej prezentuje lepiej całą procedurę:

Pomiary w symulacji:

Poziom sygnału wejściowego	Amplituda offset	tr	tf
EF=10V ER=0V	A: 5 0: 5	248ns	278ns
EF=10V ER=-5V	A: 7,5 0: 2,5	256ns	352ns
EF=5V ER=-5V	A: 5 0: 0	94n	440ns
EF=5V ER=-10V	A: 7,5 0: -2,5	73u	517n
EF=-10V ER=0V	A: 5 0: -5	-	-

4. Część pomiarowa

Podczas badania rzeczywistego klucza okazało się że posiada on również czasy opóźnienia załączenia. Postaraliśmy się zbadać te czasy.

Wykaz elementów, oraz użytych przyrządów pomiarowych:

- płytka montażowa 1b/2 (klucz unipolarny NMOS)

- oscyloskop Textronix czterokanałowy

- generator

- zasilacz

- sonda oscyloskopowa

Zmierzone czasy przełączania klucza na bazie tranzystora unipolarnego:

Tranzystor bipolarny BD135
EF=5V
ER=0V
EF=10V
ER=0V
Tranzystor bipolarny BD135 z kondensatorem 220 [pF]
EF=5V
ER=0V
Tranzystor unipolarny IRF540
EF=5V
ER=0V
EF=10V
ER=0V

Pomiar tych czasów odbywał się analogicznie jak w przypadku części syulacyjnej z tym że pomiary były dokonywane kursorami oscyloskopu. Niestety z przyczyn niewyjaśnionych przebiegi wskazane na oscyloskopie nie zostały zarejestrowane.

5. Wnioski

Po porównaniu czasów t_r oraz t_f­ symulacji oraz pomiarów rzeczywistych układów musze stwierdzić że czasy różnią się od siebie ale w niewielkim stopniu. Może to być spowodowane między innymi niedokładnością przyżądów pomiarowych a także przedewszystkim niedokładnością człowieka gdyż ustawienie kursorów na oscyloskopie w dokładnie obliczonej pozycji nie było proste.

Jak widzimy z powyższych wyników, tranzystor unipolarny jest szybszy w porównaniu do badanego tranzystora bipolarnego BD135. Wynika to z faktu, iż tranzystor unipolarny sterowany jest za pomocą pola elektrycznego przez co znajduje swoje zastosowanie w technice cyfrowej, gdzie małe czasy przełączania się są bardzo mile widziane. Tranzystory bipolarne rzadko stosuje się w układach cyfrowych, swoje zastosowanie znajdują w układach analogowych. Na szybkość reakcji klucza na wymuszenie składało się wiele elementów. Sygnał wymuszający też miał wpływ na szybkość reakcji. Rezystory polaryzujące tranzystor w tryb pracy klucza miały wpływ na czasy katalogowe. Z ogólnych obserwacji wynika iż, aby zwiększyć szybkość klucza należy: zbocznikować rezystor R_B pojemnością zwaną przyspieszającą, dobrać odpowiednie wartości rezystorów w układzie klucza. Jak widać z pomiarów, dzięki tej pojemności, czas załączenia klucza spadł blisko o połowę (z 244 [ns] do 138 [ns]). Wartość ta mogła by ulec większej poprawie, gdybyśmy dobrali inną wartość kondensatora. Użyty przez nas kondensator miał wartość 220 [pF].

Podczas ćwiczenia oprócz samych pomiarów zapoznaliśmy się z czasami katalogowymi kluczy tranzystorowymi, ich pomiarem i interpretacją. W wyniku pomiarów zidentyfikowano czasy: włączania t_ON i wyłączania t_OFF. Na te czasy składały się odpowiednio: czas opóźnienia td (delay time) i czas narastania tr (rise time) oraz czas magazynowania ts (storage time) i czas opadania tf (fall time). Porównując wartości katalogowe z wartościami otrzymanymi w laboratorium dostrzegamy rozbieżności, spowodowane niedokładnością pomiarową, brakiem idealnych elementów użytych do budowy układu pomiarowego, wpływem zakłuceń zewnętrznych na badany układ oraz przybliżaniem wartości obliczonych oraz odczytanych.