Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 8

 Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 8

Ponieważ wielkość produkcji urządzeń używających tranzystorów w technologii SiC i GaN jest mała brak jest wiarygodnych danych co do zawodności tych przyrządów ale można sądzić że są jeszcze zawodne i wymagają udoskonalenia. Trwają dopiero próby zrozumienia mechanizmów które prowadzą do uszkodzeń.
JFet GaN jest bardzo dziwny. JFet zwyczajnie może być tylko zubożany jako że bramka jest diodą i podanie dodatniego napięcia większego od Ud dla N JFeta jest niemożliwie.  Dzięki specjalnej konstrukcji dioda bramki GaN ma dużą rezystancje i przy podaniu napięcia w pełni załączającego tranzystor pobiera prąd rzędu 20-30 mA.

Infineon produkuje Mosfety SiC typu IMW65R027M1H. W nazwie zawarto napięcie 650 V i rezystancje Rdson w temperaturze pokojowej 27 mOhm.
Produkuje od niedawna JFety GaN typu IGO60R070D1.  W nazwie zawarto napięcie 600 V i rezystancje Rdson w temperaturze pokojowej 70 mOhm.
Tranzystor SiC jest więc  znacznie mocniejszy niż GaN
 
1.Gęstość prądu w kluczu Mosfecie SiC i JFecie GaN jest znacznie większa niż w Mosfecie krzemowym.
2.Rezystancja załączonego Mosfeta Si Rdson mocno rośnie wraz  z temperaturą. Podobnie jest niestety z tranzystorem GaN natomiast zmiana Rdson dla tranzystora SiC jest niewielka i to jest jego ogromna zaleta.

3.Obszar bezpiecznej pracy SOA krzemowych tranzystorów Mosfet i IGBT jest bardzo szeroki a tolerowana energia przebicia lawinowego duża. Obszar SOA Mosfeta SiC jest bardzo wąski czyli jest on bardzo delikatny ale przebicie lawinowe o małej energii toleruje.

Natomiast tranzystor GaN też z małym obszarem SOA przy napięciu 800V i prądzie zaledwie 12 mA ulega zniszczeniu. Jest super delikatny.

 Tranzystory nadają się do zastosowania wyłącznie jako bardzo starannie sterowane i chronione klucze.
4.Tranzystor SiC jest potencjalnie szybszy od krzemowego a GaN dużo szybszy.
W pojemności wyjściowej tranzystorów SiC i GaN jest zawarta mniejsza energia niż w przypadku krzemowych konkurentów co jest zaletą. Ładunek sterujący bramki tranzystorów SiC i GaN jest znacznie mniejszy niż dla tranzystorów krzemowych.
W przypadku przyrządów dużej mocy, takich jak stosowane w inverterach do samochodów  konieczne jest podanie ujemnego napięcia bramki być móc szybko tranzystory sterować bez zabronionego jednoczesnego ich przewodzenia. Tranzystor SiC ma maksymalne ujemne napięcie bramki ledwie – 5V co realnie uniemożliwi szybkie sterowanie. Przy maksymalnym dodatnim napięcie bramki 23V wymagane jest sterowanie napięciem 18V ! Margines jest za mały. Dynamiczne sterowanie napięciowe przez kondensator z podtrzymaniem prądu bramki tranzystora GaN jest pozornie trochę dziwne.

5.Piętą achillesowa Mosfeta Si jest jego pasożytnicza antyrównoległa dioda eliminująca użycie Mosfetów o napięcie powyżej 100V w inverterach. Tranzystor IGBT nie ma diody i trzeba użyć dodatkowej antyrównoległej diody ultrafast.
Dioda antyrównoległa Mosfeta SiC nie jest specjalnie szybka ale ma duże napięcie przewodzenia i wysterowany Mosfet przewodzi praktycznie cały prąd wsteczny i dioda jest zablokowana. Czyli całościowo jest to potencjalnie bardzo szybki klucz.
JFet GaN identycznie jak zwykły JFet nie ma diody antyrównoległej ale podanie ujemnego napięcia na Dren załącza tranzystor i jego napięcie przewodzenia maleje przy dodatkowym wysterowaniu bramką. Czas Trr i ładunek Qrr są  zerowe i jest to potencjalnie bardzo szybki klucz. 

Żaden z seryjnie produkowanych inverterów do samochodów elektrycznych nie używa tranzystorów SiC i GaN. Tesla niebawem zastosuje tranzystory SiC ryzykując lawinę reklamacji. Tabela zawiera informacje o inverterach do samochodów części producentów.

 Szybkie tranzystory bipolarne wyprodukowano już na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Miały jednak bardzo wąski obszar pracy bezpiecznej SOA to znaczy były niemożliwe do zastosowania lub okropnie delikatne. Zrezygnowano z ich produkcji na rzecz dużo wolniejszych tranzystorów o większym obszarze SOA . Szybkie tranzystory bipolarne mocy o szerokim obszarze SOA produkowali Japończycy jako układ scalony gdzie połączono równolegle wiele malutkich tranzystorów.
 Zatem tranzystory SiC i GaN muszą po prostu dojrzeć do łatwej ich aplikacji a dane z sieci serwisów muszą potwierdzić ze tranzystory są niezawodne.  Z racji ich delikatności moduł mostka trójfazowego winien mieć wbudowane drivery bramek i błyskawicznie działający układ ochrony i prewencji. Dla szybkiego czyli niskostratnego przełączania konieczne jest zastosowanie chipów kondensatów blokujących zasilanie  blisko struktur tranzystorów bowiem przepięcia na indukcyjnościach połączeń będą zbyt duże.
Z uwagi na niższe straty mocy czyli wyższa sprawność inverter z tranzystorami SiC lub GaN będzie miał wyższą sprawność i będzie mniejszy. Standardem będzie zespolenie invertera z silnikiem elektrycznym co pozwoli oszczędzić na złączach i ekranowanych kablach do silnika.  
 
Na wykresach pokazano sprawność silnika asynchronicznego IM, IPMSM czyli synchronicznego z magnesami i reluktancyjnego SRM stosowanych w samochodach w funkcji mocy wyjściowej i obrotów. Przewaga silnika  synchronicznego nad asynchronicznym jest ale nie tak wielka i oczywista a wręcz dyskusyjna. Natomiast magnesy neodymowe stanowią około 20% kosztów materiałów do silnika i silnik synchroniczny z magnesami jest droższy niż asynchroniczny.

Każdy tranzystor ma szumy. Przy małych rezystancjach źródła sygnału w zakresie nie wysokich częstotliwości najmniejsze szumy mają tranzystory bipolarne, także scalone w układzie
Przy średnich i dużych rezystancjach / impedancjach królują tranzystory JFet, których prąd szumów jest bardzo mały.
 Ale generalnie w zakresie od kilkunastu MHz do kilku GHz najniższe szumy mają tranzystory Mosfet.
Poniżej pewnej częstotliwości szumy napięciowe i prądowe tranzystorów zaczynają rosnąc z gęstością spektralną wedle reguły 1/F. Mowa o „flicker noise” lub „pink noise” jakkolwiek ten drugi  termin ma szersze znaczenie. Szumy te występują powszechnie w procesie wszędobylskiej dyfuzji, zmianach klimatu, falach grawitacyjnych... Szumy te mają wiele źródeł. W tranzystorach o częstotliwości  tej decyduje rodzaj tranzystora i głównie staranność technologi. I tak częstotliwość ta dla tranzystorów bipolarnych może wynosi tylko kilkanaście Hz ale z reguły jest większa. Dla popularnych tranzystorów BC546 (7,8,9,0 ) czyli SMD846.. wynosi ca 1 KHz  Generalnie większa jest dla tranzystorów JFet a dla Mosfetów może wynosić nawet 10 kHz.
Data Sheet podają wykresy gęstości widmowej napięcia i prądów wejściowych szumów.

W elektronice szumy niskoczęstotliwościowe czyli 1/f mają DEFINICYJNY zakres 0.1-10 Hz. Szumy poniżej 0.1 Hz nazywane są już dryftem. Słuszność wyboru tych częstotliwości jest bardzo dyskusyjna.
Niskoczęstotliwościowe szumy napięciowe 1/F starawego już wzmacniacza precyzyjnego OP07 wynoszą typowo 0.6 uVpp.

Aby można je obserwować oscyloskopem, wzmacniacz sam wzmacnia je w układzie  25000 razy. Ale wzmacniacz ma  też  dryft długoczasowy. Wzmocnienie dla mocniej szumiących wzmacniaczy powinno być mniejsze.

Ponieważ układ pobiera sporo mocy to nagrzewa się po włączeniu i chcąc by był precyzyjny trzeba go zasilać niedużym napięciem

Obecnie są już  lepsze układy precyzyjne od OP07 pod względem szumów 1/F.

Niskoczęstotliwościowy szum napięciowy typowego wzmacniacza CMOS wynosi 6-7 uVpp a więc jest potężny i zastosowanie takiego wzmacniacza do sygnału EKG o typowej amplitudzie 1 mV jest niemożliwe.
Szumy 1/F i dryfty dają uciążliwe efekty. Na przykład niby dokładne jednoczesne pomiary tej samej temperatury pokojowej przy pomocy dwóch lub więcej sensorów RTD PT100 mają fałszywą różnicę jednego stopnia co podrywa zaufanie do systemu automatyki czy monitoringu.  


Ćwiczenia.

1.Ponieważ szumy są z reguły małe ich pomiar i obserwacja wymaga szczelnego ekranowania układu pomiarowego. W blaszanym pudełku od herbaty są wszystkie proste układy do obserwacji niskoczęstotliwościowych wejściowych napięć i prądów (osobne ) szumów wejściowych popularnych wzmacniaczy operacyjnych LM101, OP07, AD620, TL081, MCP601. Data Sheet układów w dokumentacji ćwiczenia. Wyjściowy filtr górnoprzepustowy dla oscyloskopu to kondensator tworzący z opornością wejściową  oscyloskopu filtr 0.1 Hz. Można go ominąć i w dłuższym przedziale obserwować „dryft” Po zdjęciu pokrywki puszki zakłócenia 50 Hz od sieci energetycznej i inne zakłócają małe szumy prądowe układów JFet i CMOS.
Czy wybór częstotliwości 0.1 Hz dzielącej na szumy i dryfty jest dobry. Czym on jest uzasadniony ?
Sygnał bez filtru 0.1 Hz można też podać do przetwornika A/D komputera i długo go zbierając  sporządzić wykres  ze spektrum widma dla stwierdzenia czy prawo 1/F funkcjonuje. Jak długo trzeba zbierać próbki szumu aby zobaczyć zgodność do częstotliwości 1 uHz. Czy konieczna jest stabilizacja temperatury pomieszczenia ?

2.Temat - Filtr antyaliasingowy. Różnicowy sygnał wyjściowy z różnicowego sensora ciśnienia MPX2010DP podano do wzmacniacza instrumentalnego a z niego do wejścia karty dźwiękowej w komputerze, wejścia A/D mikrokontrolera, miernika, oscyloskopu i poprzez wzmacniacz zmiennoprądowy podnoszący wyższe tony do słuchawek.
“10 kPa On-Chip Temperature Compensated and Calibrated Silicon Pressure Sensors. The MPX2010 series silicon piezoresistive pressure sensors provide a very accurate and linear voltage output directly proportional to the applied pressure. These sensors house a single monolithic silicon die with the strain gauge and thin film resistor network integrated. The sensor is laser trimmed for precise span, offset calibration and temperature compensation.”

Posługując się zatyczką jednego króćca sensora i / lub plastikową rurką zrób z niego najlepszy „mikrofon”.
Uwaga: Czułość „mikrofonu” jest bardzo mała i trzeba głośno krzyczeć bowiem akustyczny poziom referencyjny 0 dB to 20 uPa czyli bardzo głośny dźwięk o natężeniu 100 dB to ledwie ciśnienie 2 Pa. Ciśnienie atmosferyczne 1 At odpowiada zaś 101 325 Pa.
Sensorem MPX2010DP mierzymy spadek ciśnienia przed i za przewężką ( rozmiary na rysunku ) przez którą przepływa strumień powietrza zasysanego przez odkurzacz.
Jaka jest moc zasysanego strumienia powietrza ?
Jaka powinna być orientacyjnie częstotliwość graniczna filtru dolnoprzepustowego 2 rzędu aby bez programowego filtru otrzymać sensowne rezultaty przetwarzania A/D ciśnienia dla pomiaru strumienia powietrza do odkurzacza ?  
Podpowiedź:

3.Mostki tensometryczny znalazły szerokie zastosowanie. Belka tensometryczna to półmostek w którym dwie szeregowo połączone oporności ( trzy kolorowe przewody )  zmieniają się przeciwnym kierunku na skutek działania bodźca.  Pod rogami płyty szklanej w wadze łazienkowej znajdują się cztery belki tensometryczne połączone w mostek. Dzięki temu wynik pomiaru praktycznie nie zależy od tego w którym miejscu stanie ważąca się osoba.
Ponieważ mostek tensometryczny jest dość szerokopasmowy praktycznie zawsze przed podaniem do przetwornika A/D stosowany jest filtr dolnoprzepustowy a nierzadko oversampling i dalej filtr programowy.
Przeładowane ciężarówki okropnie niszczą drogi. Fragment jezdni stanowi płyta pomiarowa z belkami tensometrycznymi i system komputerowy „waży” szczytowy nacisk osi jadących samochodów i wykonuje im zdjęcia celem słusznego represjonowania szkodników. W płycie pomiarowej występują drgania i trzeba sygnały od kolejnych osi  inteligentnie przetworzyć aby uzyskać miarodajne dane. 
Wzmocniony sygnał z belek mostka pod płytą wagi łazienkowej podano do miernika, oscyloskopu i przetwornika A/D w komputerze. Miernik pokazuje sygnał w „Kg” i można się zważyć.
Na wagę należy centralnie upuścić piłkę lekarską i odbitą złapać aby waga się nie  przesuwała  po podłodze. Sygnał przypomina sygnał z systemu drogowego. Jest tym większy im wyższa wysokość z jakiej spada piłka.
Zaproponuj programowy algorytm  wyliczenia z próbek liczby proporcjonalnej do wagi osi samochodu przy założeniu że wszystkie jadą z taką samą prędkością.