Zakład Energoelektroniki, Robotyki i Automatyzacji

LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI

Ćwiczenie nr 4 :

TRANZYSTORY MOCY (TM)

(Badanie tranzystorów mocy)

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, że do sterowania dużych prądów w obwodzie

wyjściowym konieczne są duże prądy bazy. Jest to niekorzystne, zwłaszcza, Ŝe

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 dużym 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 odróżnieniu od przyrządów bipolarnych prąd

przepływa przez strukturę tylko przy udziale jednego typu nośników energii: elektronów

lub dziur. Wiąże 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 dużą impedancją wejściową, a więc i dużym wzmocnieniem mocy.

Przyrządy działające na zasadzie zjawiska polowego charakteryzują się krótkimi

czasami przełączeń, mogą pracować więc przy wysokich częstotliwościach.

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

Rys.1 Wyznaczanie charakterystyki wejściowej tranzystora Darlington.

UBE	0	0,6	0,65	0,68	0,71	0,74	0,76	0,78	0,8	0,83	0,85	0,87	0,89	0,91	0,93	0,95
IB	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7	7,5

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)

UCE =2V

UBE	0	0,44	1,02	1,44	1,6	1,63	1,65	1,65	1,66	1,66	1,66	1,67	1,67	1,67	1,68	1,68
IB	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
IC	0	0	0	1,56	3,1	3,37	3,52	3,52	3,6	3,63	3,66	3,66	3,69	3,7	3,71	3,74

UCE =3V

UBE	0	0,56	1,11	1,47	1,6	1,71	1,77	1,84	1,89	1,93	1,95	1,96	1,97	1,98	2	2
IB	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
IC	0	0	0	1,92	3,5	4,48	5	5,56	6,07	6,3	6,49	6,58	6,68	6,75	6,77	6,83

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 )

IC	0	0,05	0,24	0,43	0,63	0,81	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,24	2,49	2,65	2,8
UZA	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
IC	3,11	3,32	3,55	3,76	3,98	4,19	4,41	4,64	4,86	5,07	5,27	5,5	5,72	5,93	6,14
UZA	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30

Wyznaczenie wzmocnienia prądowego hFE

IC	0	0,05	0,24	0,43	0,63	0,81	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2,02	2,24	2,49	2,65
hFE	0	10	38	38	40	36	38	40	40	40	40	44	44	50	32
IC	2,8	3,11	3,32	3,55	3,76	3,98	4	4,4	4,6	4,9	5,1	5,27	5,5	5,72	5,93	6,1
hFE	30	62	42	46	42	44	42	44	46	44	42	40	46	44	42	42

Wyznaczanie strat mocy P_C

IC	0	0,05	0,24	0,43	0,63	0,81	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2,02	2,24	2,49	2,65	2,8
UZA	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
PC	0	0,05	0,48	1,29	2,52	4,05	6	8,4	11,2	14,4	18	22,22	26,88	32,37	37,1	42
IC	3,11	3,32	3,55	3,76	3,98	4,19	4	4,6	4,86	5,07	5,3	5,5	5,72	5,93	6,14
UZA	16	17	18	19	20	21	#	23	24	25	26	27	28	29	30
PC	49,76	56,4	63,9	71,4	79,6	88	#	107	117	127	137	148,5	160,2	172	184

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)

Rys.4 Wyznaczanie charakterystyki przejściowej tranzystora MOSFET

UDS =1V

UG	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	3,7	3,9	4,1	4,3	4,5	5	5,5	6	6,5	7	7,5	8
ID	0	0	0	0	0	0	0	0,05	0,35	1,03	2,23	3,37	3,77	4,1	4,28	4,31	4,33	4,35	4,35	4,35

UDS =2V

UG	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,4	3,6	3,8	4	4,2	4,4	5
ID	0	0	0	0	0	0	0	0,02	0,13	0,58	1,59	3,28	5,07	8,44
UG	5,5	6	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5	10	10,5	11	11,5	12
ID	8,8	9	9,18	9,18	9,38	9,6	9,78	9,84	9,9	9,94	10,2	10,15	10,22	10,3
UG	13	13	13,5	14	14,5	15	15,5	16	16,5	17	17,5	18	18,5	19	19,5
ID	10	10,4	10,44	10,48	10,5	10,52	10,57	10,6	10,65	10,65	10,7	10,74	10,75	10,8	10,74

Wyznaczenie wzmocnienia gFE

Wyznaczenie rezystancji RDS(ON)

$$R_{DS(ON)} = \frac{U_{\text{DS}}}{I_{D}} = \frac{2}{10,75} = 0,186\mathrm{\Omega}$$

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)

ID	0,19	0,38	0,58	0,78	0,99	1,19	1,4	1,61	1,82	2,03	2,25	2,46	2,69	2,91	3,12
UZA	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
ID	3,35	3,58	3,78	4,03	4,24	4,45	4,68	4,89	5,11	5,33	5,55	5,79	6,01	6,23	6,46
UZA	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30

Wyznaczanie strat mocy PD = f(lD) dla stanu otwarcia

ID	0,02	0,13	0,58	1,59	3,28	5,07	8,44	8,75	9,00	9,18	9,18	9,38	9,60	9,78	9,84	9,90	9,94	10,15
PD	0,0000744	0,0031	0,06	0,47	2,00	4,78	13,25	14,24	15,07	15,67	15,67	16,37	17,14	17,79	18,01	18,23	18,38	19,16
ID	10,15	10,22	10,26	10,35	10,38	10,44	10,48	10,50	10,52	10,57	10,60	10,65	10,65	10,70	10,74	10,75	10,75	10,74
PD	19,16	19,43	19,58	19,92	20,04	20,27	20,43	20,51	20,58	20,78	20,90	21,10	21,10	21,30	21,45	21,49	21,49	21,45

Wykresy Darlington

bipolarny UCE=2

bipolarny UCE=3

Wykresy MOSFET

UDS =1V

UDS =2V

Wnioski