Báo cáo Làm quen board mạch transistor công suất và thyristor gto transistor công suất, thyristor gto và mạch chuyển mạch công suất

BÀI BÁO CÁO THÍ NGHIỆMĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Họ và tên: Trần Công Quang Mã số SV: 910473D Nhóm: 5 chuyển sang nhóm 6. Lớp: 09DD2N. Ngày làm TN: Thứ sáu ngày 06 tháng 11 năm 2008 – TN Ca: 2 Sáng. BÀI 3: LÀM QUEN BOARD MẠCH TRANSISTOR CÔNG SUẤTvà THYRISTOR GTO TRANSISTOR CÔNG SUẤT,THYRISTOR GTO và MẠCH CHUYỂN MẠCH CÔNG SUẤT Phần1: TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN: Mục Đích: _ Cho ta xác định chính xác các thiết bị bán dẫn chính: Transistor, MOSFET, Thyristor, IGBT, GTO. _ Sự hoạt động của các thiết bị trong các khối mạch. _ Sử dụng và tạo ra khối mạch DRIVER (DR) cung cấp nguồn điều khiển cho các khối mạch bán dẫn. _ Sử dụng và tạo ra khối mạch LOAD (DR) theo đặc tính tải đặt trưng. LÀM QUEN BOARD MẠCH: Các thành phần linh kiện chính trong từng khối mạch. Của board mạch bài thí nghiệm số 3. Khối MOSFET: Có 1 MOSFET Loại N: dùng để kích đóng và kích ngắt để dòng IS và dòng ID. Điện trở R1 = 220 Ohm: dùng để hạng chế dòng qua cực G (vì MOSFET rất nhạy cảm với dòng kích thích). Điện trở R2 = 1 Ohm: là một phần tải cho MOSFET. Một diode zener (CR1) ổn áp dùng để hạng chế dòng qua cực G. Công tắc thường mở S1 là công tắc cho CR1 để tạo dòng kích MOSFET. Nguồn DC cố định 15Vdc Khối IGBT: Có 1 Transistor IGBT: Dùng để kích đóng dòng điện qua tải. Điện trở R1 giá trị là 220 Ohm: dùng để hạng chế dòng qua cực G. Điện trở R2 = 1 Ohm: là một phần tải cho MOSFET. Một diode zener (CR1) ổn áp dùng để hạng chế dòng qua cực G. Công tắc thường mở S1 là công tắc cho CR1 để tạo dòng kích MOSFET. Nguồn DC cố định 15Vdc. Khối ULTRA-FAST IGBT: Có Transistor IGBT. Giống với khối IGBT ở trên Khối BIPOLAR TRANSISTOR: Có Transistor BJT công suất lơn Khối DARLINGTON TRANSISTOR: Có 3 Transistor mắc kiểu Darlington. Khối GTO THYRISTOR: Khối DRIVER: Khối LOAD (Z): Các linh kiện chính trong từng khối trên là: STT Tên khối mạch Tên Thuristor chính trong mạch Photodiode Zenerdiode 1 MOSFET MOSFET Loại N O X 2 IGBT IGBT O X 3 ULTRAL_FAST IGBT IGBT O X 4 BIPOLAR TRANSISTOR TRANSISTOR O O 5 DARLINGTON TRANSISTOR TRANSISTOR O O 6 GTO THYRISTOR GTO O O 7 DRIVER A3101, 2N2905 X O 8 LOAD (Z) DIODE, Rcông suất lớn O O PHẦN THÍ NGHIỆM: Tổng quan về các khối mạch: * Dùng chức năng đo ngắn mạch của đồng hồ vạn năng ta trả lời được các câu hỏi sau: Ta đo thông mạch các cực có ký hiệu 15V: nhận thấy các cực 15V được nối với nhau. Ta đo thông mạch các cực có ký hiệu là A: thì nhận thấy các cực A hở nhau. Tương tự đo các cực có ký hiệu là C: thì nhận thấy các cực C cũng hở nhau. * Ta nối nguồn cung cấp 15V vào cực POWER INPUT trên board và bật nguồn. Đo hiệu điện thế DC của cực 15V đặt tại khối mạch MOSFET với điện áp tại điểm ký hiệu 15V là: 12,23V. Tại các khối mạch còn lại ta cũng đo tại điểm có ký hiệu là 15V thì kết quả cũng giống bước. Tổng quan về khối mạch DRIVER: Tắc nguồn trên board. Ta mắc mạch trên khối DRIVER (DR) như sau: Ta cũng dùng chức năng đo ngắn mạch của VOM. Ta kiểm tra được 2 cực phía bên trái của khối DRIVER thì không liên tục với điểm nào ở bên phải của khối DRIVER. Và nhưng câu trên thì 2 phía của khối mạch DRIVER cách ly điện hoàn toàn. Bật nguồn. Đặt đầu nối 2 vị trí giữa nguồn dương DC (nối điểm 3 với 6) và ngõ ra cực A của khối mạch DRIVER ( như trên ). Trên chân đế, xoay núm hiệu chỉnh POSITYVE_SUPPLY hết cở theo chiều kim đồng hồ. Ta đo được áp Vdc bằng VOM là :Vout, max = 11.26V. Xoay núm POSITYVE_SUPPLY từ từ theo ngược chiều kim đồng hồ thì ta thấy điện áp ở ngõ ra VA giảm dần về 0. từ -46,8mVà 11,26V. Ta chuyển kết nối từ vị trí 3 và 6 ở mạch trên sang vị trí là 3 với 5, xoay núm xoay NEGATIVE_SUPPLY hết cở theo chiều kim đồng hồ. Ta dùng VOM đo được điện áp ra của mạch VA là: Vout, max = -11,26V. Xoay từ từ núm xoay NEGATIVE_SUPPLY theo ngược chiều kim đồng hồ. Ta quan sát được điện áp ra VA tăng đến giá trị 0V. Nối máy phát tín hiệu vào V-GEN, dạng sóng vuông tần số 10 kHz và thiết lâp mạch như sau: Sử dụng sao động ký đo điện áp dạng sóng ngõ ra VA, của khối DRIVER như sau: Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là +10V thì điện áp ngõ ra là: VA = Vout = +5V. Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là –10V thì điện áp ngõ ra là : VA = Vout = -5V. Khi ta thiết lập mạch với tầng công suất được cấp bởi nguồn như sơ đồ sau: Máy phát sóng và dao động ký được mắc như câu trên và ta vẽ được dạng sóng như sau: Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là +10V thì điện áp ngõ ra: VA = Vout = +12,5V. Khi điện áp ngõ vào của mạch DRIVER là -10V thì điện áp ngõ ra: VA = Vout = -12,5V. Kết luận: Mạch lái DRIVER (DR) ngõ ra VA có 4 mức lái: Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 5 thì mạch lái có ngõ ra là VA âm. Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 6 thì mạch lái có ngõ ra là VA dương. Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 4 và vị trí 1 với 2 thì mạch lái có ngõ ra là tín hiệu sóng vuông được khuếch nhưng chỉ có nguồn đơn (+15V). Khi ta chỉ kết nối vị trí 3 với 4 và vị trí 1 với 7 thì mạch lái có ngõ ra là tín hiệu sóng vuông được khuếch đại với nguồn đôi (15V). Làm quen với khối mạch LOAD (Z): Ta kết nối khối mạch LOAD (Z) với R1, R2, R3 và L1 nối tiếp nhau như sau: Ta dùng VOM đo được tổng trở của mạch LOAD(Z) tại 2 điểm B,C là: Rload = 21,6. Khi ta thiết lập lại mạch LOAD (Z) chỉ có R1, R3 và L1 nối tiếp thì điện trở tải của mạch đo được tại 2 điểm B,C là: Rload = 11,6. Khi ta thiết lập mạch LOAD (Z) với R1, R2 mắc song song và nối tiếp với R3 với L1. Thì điện trở tải đo được là: Rload = 6,5. TRANSISTOR công suất lưởng cực: Nối cực nguồn POWER INPUT, và ta thiết lập mạch như sơ đồ sau: Trên chân để ta vặm núm xoay POSITIVE hết cở theo chiều kim đồng hồ để khối mạch DRVER là 0V. Bật nguồn cung cấp. Dùng VOM đo được điện áp rơi trên R3 là: VR3 = 0V. => = 0A. Dùng VOM ta cũng đo được điện áp tại 2 cực C, E của Transistor là: VCE = 12,22V. Xoay núm POSTIVE theo chiều dương của kim đồng hồ để tăng điện áp khối DRIVER cực đại. Trên kênh 2 của dao động ký ta đo điện áp tại cực C và cực E của Q1 là: VCE (ON) = 100mV. Thay đổi điện áp 0à10V trên khối DRIVER và ta vẫn quan sát tín hiệu trên dao động ký. Khi ta tăng điện áp khối DRIVER lên thì Transistor sẽ dẫn và khi đó VCE giảm dần và đến lúc VCE = 1V. Ta đo và tính được dòng IB là: IB =. Xoay nguồn điều khiển dương hết cỡ theo chiêu kim đồng hồ sao cho Transistor bão hoà. Sau khi mạch hoạt động vài phút thì Transistor hơi nóng lên. Ta điều chỉnh nguồn điêu khiển để điện áp VCE là 7V. và cũng để mạch hoạt động vài phút thì khi ta chạm tay vào Transistor thì cũng có cảm giác là Transistor nóng. Ta có thể định Transistor lưỡng cực nóng không bình thường khi hoạt động trong vùng tuyến tính của nó, và khi nó nóng lên thì điện áp rơi trên Transistor (giữa 2 cực C,E) có giảm đi 1 ít => Transistor dẫn mạnh hơn 1 ít khi nó nóng lên. MOSFET và IGBT CÔNG SUẤT: Nối 2 cực POWER INPUT vào board nhưng chưa bật nguồn. Thiết lập mạch như sơ đồ sau: Trên bộ chân đế , xoay núm xoay POSITIVE hết cở ngược chiều kim đồng hồ để thu được điện áp 0V. Sau đó ta bật nguồn POWER INPUT. Kênh 2 của dao động ký nối vào cực máng D (Drain) với nguồn S. Ta đo được điện áp VDS = 12,5V. Từ câu trên với điện áp VCE = 12,5V (do nguồn POWER INPUT để giá trị 15V nhưng chỉ có khoảng 12V). Với điện áp như trên thì MOSFET chưa dẫn không cho dòng Drain chạy qua. Khi xoay nguồn dương điều khiển theo chiều kim đồng hồ thì lúc đó MOSFET sẽ dẫn và ta đo được giá trị điện áp giữa cực máng D và cực nguồn S là VDS (ON) = 236 mV 0V. Dạng sóng giữa cực máng D và cực nguồn S khi MOSFET chưa dẫn và dẫn là như sau: Dùng VOM ta đo được điện áp rơi trên R1 là 0V (Vì do mật độ hạt điện tại khu vực cực G được thiết kế rất ít và khi có sự tranh chấp giữa cực máng D của nguồn dương POWER_INPUT cùng với các hạt điện tại khu vực cực nguồn S khiến cho dòng IG rất bé nên => tổng trở GS và GD rất lớn) nên R1 = 0V là đúng. Dòng qua R1 vào cực G của MOSFET là: IG = . Ta thay đổi nguồn điều khiển vài lần điện áp từ 0à10V, và vẫn quan sát kỹ tín hiệu va ta cũng nhận thấy được là MOSFET hoạt động như một công tắc được điều khiển bởi dòng G. Ta thiết lập lại mạch bằng cách thay MOSFET bằng Transistor IGBT ta được mạch như sau: Trên bộ chân đế, xoay núm xoay POSITIVE của nguồn điều khiển hết cở ngược chiều kim đồng hồ để thu được điện áp là 0V. Sau đó ta bật nguồn cung cấp POWER_INPUT. Trên kênh 2 dao động ký đo điện áp tại cực C, E của IGBT là: VCE = 12,5V. Xoay nguồn điều khiển theo chiều dương của kim đồng hồ sao cho điện áp cực G của IGBT tăng đến 10V. Ta đo được điện áp giữa cực C và cực E của IGBT là: VCE (ON) = 1V. Với điện áp này thì cho thấy IGBT đang dẫn. Tương tự như câu “f” ta đo và tính được IG = . Biến đổi vài lần điện áp điều khiển từ 0à10V, quan sát tín hiệu trên dao động ký. Đúng là IGBT hoạt động như một công tắc được điều khiển bởi dòng G, nghĩa là dẫn điện khi cung cấp điện áp 10V cho cực G, và ngắt điện khi không cung cấp điện áp cho cực G. THYRISTOR_GTO Nối 2 cực POWER_INPUT vào board nhưng lúc nay ta chưa bật nguồn. Thiết lập mạch như sơ đồ sau: Trên bộ chân đế ta xoay núm xoay POSTIVE hết cở ngược chiều kim đồng hồ để thu được điện áp 0V, và lúc này ta bật nguồn POWER_INPUT. Trên kênh 2 của dao động ký, ta quan sát và đo được tại 2 cực A và K của GTO với điện áp là: VAK = 12,68V. Với điện áp VAK = 12,68V thì GTO đang ngắt và không có dòng IA chạy qua GTO. Xoay nguồn dương điều khiển theo chiều kim đồng hồ sao cho điện áp nguồn dương là 10V. Điện áp giữa 2 cực A, K của GTO là: VAK = 1,95V. Với điện áp này thì ta biết được GTO đang dẫn, và GTO đang cho dòng điện chạy qua. Ta cũng đo được dòng IG = 55,5 mA. Với giá trị áp trên R2, R3 ta đo được là VR2, R3 = 9,28V Vậy ta tính được dòng IG =. Vậy IG đo được xấp xỉ với IG ta tính được vậy là đúng khi GTO dẫn thì điện trở của 2 cực G và K rất nhỏ nên dòng từ cực G đổ hết về cực K do vậy điện áp VGK = 0V. Vậy GTO ngược lại với MOSFET và IGBT ở chổ khi GTO dẫn thì nó cho dòng từ cực G đổ về cực K luôn còn MOSFET và IGBT thì không. Xoay núm xoay của khối mạch điều khiển, điều khiển nguồn dương và nguồn âm hết cỡ theo chiều kim đồng hồ, để được điện áp ngõ ra là +10V và -10V và ta có sơ đồ mạch như sau: Ở câu trên GTO được nối với xung dương là Ở khối DRIVER nối Jumper 1- 4. Bây giờ ta nối Jumper 1- 3 ở khối DRIVER để có xung âm kích vào cực G của GTO: Kết quả là điện áp của VAK = 12,65V => GTO ngưng dẫn. Và điện áp VGK = 10,33V vậy khi GTO ngưn dẫn thì dòng qua cực G xuống cực K: IG = 0mA. Khi ta chuyển Jumper từ vị trí 1- 3 sang 1- 4 và ngược lại vài lần. Kết quả quan sát ta nhận thấy khi cấp xung dương vào cực G của GTO thì chắc chắn GTO dẫn và khi mất nguồn dương thì GTO vẫn dẫn. GTO ngắt chỉ khi có xung dương. Vậy GTO hoạt động như một công tắc. GTO dẫn khi có xung dương và GTO chỉ ngắt khí có xung dương nghĩa là lúc GTO dẫn khi đó không còn dòng kích thì nó vẫn dẫn đến khi nào nó có dòng kích ngắt thì nó mới ngắt. Nói tóm lại GTO la linh kiện kích đóng (xung dương) và kích ngắt (xung âm). Tiếp theo ta thiết lập mạch như sau: Xoay nguồn điều khiển POSITIVE hết cở theo chiều dương. Khi này chắc chắn là GTO đang dẫn và ta đo được điện áp rơi trên R4 là: VR4 = 0.7V và ta có được giá trị R4 = 1. Vậy dòng qua GTO khi nó đang dẫn trong trường hợp này là: IAK = . THỜI GIAN CHUYỂN MẠCH và ĐỘ SỤT ÁP DẪN ĐIỆN: Nối 2 cực nguồn POWER_INPUT vào board mạch trên chân đế và ta chưa cấp nguồn. Và thiết lập mạch với sơ đồ sau kết nối 1 và 2 ở khối DRIVER(DR): Bật nguồn V-GEN: với điện áp đỉnh =10Vpp, dạng sóng vuông, tần số 20kHz. Nối kênh 1 của dao động ký để quan sát điện áp trên R4, và kênh 2 quan sát điện áp của Transistor trên 2 cực C và E của Transistor. VCE = 12V. Lúc này chắc chắn là Transistor chưa dẫn vì nguồn DC POWER_INPUT thực chất có 12,23V. Và có điện áp rơi trên R4 vì do nhiểu của Q1 hay thiết bị Board mạch là xấp xỉ 0,23V đo do R1 và R3 ở khối LOAD (Z) có công suất lớn nên không có áp rơi trên nó. Nếu Q1 dẫn do nhiễu thì có dòng qua nó là: IQ1 = IR4 = . Lúc điện áp VCE trên Transistor giảm từ 15Và 0V (Transistor dẫn). Thì dòng điện qua Transistor chắc chắn sẽ tăng lên. Khi Transistor dẫn, dòng IC tăng đến biên độ cực đại trong thời gian là: 2. Ta dựa vào điện áp trên R4 đo ở kênh 1 của dao động ký (có dòng qua Q1 thì mới có điện áp trên R4). Khi Transistor ngừng dẫn, dòng IC thay đổi từ biên độ cực đại xuống biện độ cực tiểu trong thời gian là: Current tr =1. Nối dao động ký vào kênh 2 của dao động ký vào 2 cực C,E của Q1 khi Q1 dẫn thì ta quan sát được điện áp: VCE(ON) = 0,2 V. CÔNG SUẤT CHUYỂN MẠCH TRÊN TẢI CẢM: Nối nguồn POWER_INPUT vào board mạch trên chân đế và ta cũng chưa bật nguồn. Và thiết lập mạch với tải cảm như sơ đồ sau: Cấp nguồn V-GEN cho khối DRIVER là 12Vpp, tần số 20kHz, sóng vuông. Và cấp nguồn POWER_INPUT cho mạch. Kênh 2 của dao động ký đo ở cực E và C của Q1, quan sát được VCE = -12V. Khi Transistor dẫn, và dòng IC tăng theo hàm mũ. Vì quan sát trên dao động ký ở khoảng dẫn của Q1 có mức điện áp không phải là 1 giá trị mà lúc này biên độ tăng tuyến tính. Kết luận: Đối với tải cảm bình thường Nguồn POWER_INPUT là nguồn DC và khối DRIVER là nguồn DC thì dòng Ic là bình thường không thay đổi. Nhưng ở thí nghiệm này ta có khối mạch lái DRIVER là tín hiệu AC tần số cao kích vào cực B của Q1. Thì sự thay đổi dòng Ic cũng ở tần số cao và ảnh hưởng của Tải Cảm là dòng I của Q1 dẫn là 1 hàm mủ. Khi Transistor tắt thì dòng Ic giảm nhanh về 0A. Từ kết quả ở trên khi Transistor tắt thì dòng Ic giảm nhanh, mà dòng giảm nhanh thì điện áp VCE tăng nhanh (sự quá độ: dòng thì giảm nhanh về 0A. Còn áp thì tăng nhanh từ 0V lên cao). Để tránh trường hợp tăng mạnh điện áp ngược ở Q1 trong thời gian quá độ ta mắc thêm Diode zener để ổn định điện áp hay diode thường mắc sao cho khi áp cao ở cuộn cảm đẩy ra không làm ảnh hương đến Q1. Tránh tăng mạnh điện áp. Giảm biên độ của sự tăng điện áp. Như kết quả câu trên Khi Transistor Q1 vừa tắt thì có dòng chạy qua CR3 trong thời gian ngắn, Nhưng khi Q1 dẫn thì CR3 phân cực ngược nên không có dòng qua nó. Vậy CR3 không dẫn liên tục. Biên độ cực đại của dòng tải khi mạch đang chuyển mạch tại 1kHz: 1A. Biên độ cực đại của dòng tải khi mạch đang chuyển mạch tại 20kHz: 0,6A. Khi ta ngắn mạch phần cảm, và quan sát dạng sóng của dòng tải. Và cùng với 2 câu trả lời ở trên => Phần cảm có hiệu quả rong việc làm phẳng dòng tải.